DE2331093C2

DE2331093C2 - Strahlungsabtastvorrichtung

Info

Publication number: DE2331093C2
Application number: DE2331093A
Authority: DE
Inventors: Charles William Schenectady N.Y. Eichelberger; Gerald John Waterford N.Y. Michon
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1972-06-21
Filing date: 1973-06-19
Publication date: 1983-09-22
Also published as: JPS4976493A; GB1431209A; JPS5652462B2; US3805062A; NL185807C; DE2331093A1; CA1005152A; CA1004357A; US3786263A; NL7308610A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Strahlungsabtastvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige Vorrichtung ist in der GB-PS 11 76 358 beschrieben.

Strahlunfesabtastvorrichtungen werden in großem Umfang in vielen Anwendungsform benutzt, um elektrische Signale zu erhalten, die eil. Maß für die empfangene Strahlung sind. Die elektrischen Signale werden gewöhnlich dazu verwendet eine vir-ielle Anzeige der aufgenommenen Strahlung zu liefern. Eine Klasse .on Vorrichtungen, die bei derartigen Strahiungsabtastgeräten verwendet sind, umfaßt eine strahlungsempfindliche Speicherplatte, auf der eine elektrische Ladung in Abhängigkeit von der empfangenen Strahlung entwickelt und durch einen Elektronenstrahl ausgegeben wird, der die Speicherplatte abtastet Die Erzeugung und Steuerung des Elektronenstrahles erfordert die Anwendung von Vakuumröhrentechniken mit einer Vakuumhülie. einer thermo-ionischen Katho-

J5 de, Hochspannungs-Leistungsspeisungen und gewöhnlich umfangreiche und teure magnetische Fokussierungs- und Ablenkungsspulen.

Wie in dem Artikel »Self-Scanned image Sensors Based on Charge Transfer by the Buckel-Brigade Method« in IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. ^pD-18. No. 11, 1971, Seiten 996-1003. beschrieben ist. sind verschiedene Versuche gemacht worden, um eine vollständig aus Festkörperelementen bestehende Bildabtastvorrichtung zu schaffen, in der die Abtastfunktionen und desgleichen die Bildabtastfunktionen durch Festkörperelemente erfolgen, wodurch das Erfordernis für einen Elektronenstrahl und die Apparatur vermieden wird, die zur Erzeugung und Betätigung des Elektronenstrahles erforderlich ist. Ein derartiger

><> Versuch beinhaltet die Verwendung einer Matrix aus Photodioden, die auf eine vorgegebene Spannung aufgeladen und gemäß der aufgenommenen Strahlung entladen werden. Das Ausmaß der Entladung von jeder diener Dioden w:rd abgetastet, beispielsweise indem der Strom abgetastet wird, der zur Wiederaufladung jeder dieser Dioden auf die vorgegebene Spannung erforderlich ist. Somit wird ein Maß der von jeder der Dioden aufgenommenen Strahlung erhalten.
Anordnungen aur solchen Diodenvorrichtungen haben eine schlechte Substratflächenausnutzung und weisen einen begrenzten dynamischen Bereich auf. !Ferner vergrößert die Anzahl der Schaltungsverbindungen, die für jede der Vorrichtungen erforderlich ist, um eine Selektion und Ausgabe der Vorrichtung zu erhalten, die Komplexität dsr Anordnung. Bei großen Anordnungen würde eine derartige Komplexität die Ausbeute verwendbarer Anordnungen begrenzen, die bei der Massenproduktion derartiger Anordnungen

erhältlich ist. Im Betrieb derartiger Anordnungen wird das Kapazitätssignal, das von den abtastenden Treiberleitungen zur Ausgabeschaltung gekoppelt ist, nicht unterdrückt und erscheint als unerwünschte Änderungen des Video-Signales.

Kürzlich ist eine andere Klasse von Vorrichtungen, die als Oberflächen-Ladungsspeicherungsvorrichtungen bezeichnet werden, vorgeschlagen und entwickelt worden, die ein Substrat aus Halbleitermaterial verwenden, in welchem in einem der Oberfläche benachbarten Abschnitt eine Anordnung von Ladungsspeicherstellen vorgesehen ist. Auf das Substrat auftreffende Strahlung erzeugt Ladungen, die in den Stellen gemäß der von diesen empfangenen Strahlung gespeichert werden. Derartige Vorrichtungen sind in der britischen Patentschrift 13 05 802 beschrieben. Eine elektrische Ausgabe in derartigen Vorrichtungen wird durch eine Reihen- und Spaltenadressierung der Stellen entlang der Oberfläche des Substrates ermöglicht.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Strahlungsabtastvornchtung mit Oberflächen-Ladungsspeicherungsvorrichtungen zu schaffen, die einfach aufgebaute und rauschfreie elektrische Ausgabemittel enthält.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß kein zweiter Bereich mit einem entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp erforderlich ist und kein Rauschen durch Schaltvorgänge auftritt. Es ist auch kein Lastwiderstand parallel zur Kapazität erforderlich. Vielmehr liefert die Kapazitäts-Integratorschaltung direkt eine der gespeicherten Ladung entsprechende Spannung, die bis zum Auslesen beliebig lange festgehalten werden kann. Nach dem Auslesen kann die Kapazr.äts-integratorschaltung durch einen Schalter zurückgesetzt und zum Integrieren der injizierten Ladung einer anderen Oberflächen-Ladungsspeichervorrichtung verwendet werden.

Vorteilhaftervveise können mehrere derartige Vorrichtungen auf einem gemeinsamen Substrat ausgebildet werden, und jede Einheit kann einzeln adressiert werden, um ihrerseits eine Injektion der darin gespeicherten Ladung in das Substrat zu bewirken und entsprechende Spannungen über einem Kondensator zu erzeugen, der mit dem Substrat in einen Schaltkreis geschaltet ist. Es <önnen dabei Mittel vorgesehen sein, um die über dem Kondensator entwickelten Spannungen abzutasten, um dadurch wiederum eine Ausgangsgröße mit einer A mplitude zu bilden, die sich gemäß der Änderung der Amplitude der abgetasteten Spannungen zeitlich ändert.

Die Erfindung wird nun anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung verschiedener Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Fig. IA-IC zeigen Abbildungen von einer Leiter-Isolator-Halbleiterzelle, die in einem Schaltkreis angeordnet ist und stellen verschiedene Betriebsstufen der Zelle gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung dar.

F i g. 1D zeigt ein vereinfachtes schematisches Schaltbild einer linearen Anordnung von Abtastzellen, wie sie in den F i g. i A — 1C dargestellt sind

Fig.2A—2C zeigen Abbildungen von in Paaren angeordneten Leiter-Isolator-Halbleiterzellen, die in einem Schaltkreis angeordnet sind, und stellen verschiedene Betriebsstufen gemäß anderen Merkmalen der vorliegenden Erfindung dar.

Fig.3A—3C sind Kurvendarstellungen verschiedener Spannungs- und Stromsignale, die in den Abbildungen der F i g. 2A—2C auftreten.

Fig.4 ist eine Draufsicht auf eine Anordnung oder Zusammensetzung einer Vielzahl auf Strahlung ansprechender Zellen, die auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet sind.

Fig. 5 ist eine Querschnittsansicht der in Fig. 4 gezeigten Anordnung nach einem Schnitt entlang der Schnittlinien 5-5 in F i g. 4.

F i g. 6 ist eine Schnittansicht der in F i g. 4 gezeigten Anordnung nach einem Schnitt entlang der Schnittlinien 6-6 in Fig.4.

F i g. 7 ist eine Schnittansicht der in F i g. 4 gezeigten Anordnung nach einem Schnitt entlang der Schnittlinien 7-7 in F 1 g. 4.

Fig. 8A—8E sind Darstellungen, die zur Erläuterung von einer Betriebsart der Abtastzellen gemäß den Fig. 2A—2C und Fig.4 —7 verwendet werden. Jede Figur enthält einen Abschnitt einer Vorrichtung mit zwei gekoppelten Leiter-Isolator-Halbleiterzellen, wobei an verschiedene Elemente verschiedene Potentiale angelegt sind, sowie ein Diagramm des Potentials an der Oberfläche des Halbleitersubstrates.

Fig. b?A — 9E sind Darstellungen, die den Darstellungen gemäß den Fig.8A — 8E ähnlich sind und die zur Erläuterung einer anderen Betriebsart der Abtastzellen gemäß den Fig. 2A —2C und Fig.4—7 verwendet werden.

Fig. 10A—1OE sind Darstellungen, die den Darstellungen der Fig.8A—8E ähnlich sind und die zur Erläuterung einer weiteren Betriebsart der Abtastzellen gemäß den Fig. 2A —2C und den Fig.4—7 verwendet werden.

F i g. 11 ist ein Blockbild von einem Bildabtast- und Anzeigesystem, das die Bildabtastanordnung gemäß den Fig.4—7 enthält. Eine Buchstabenbezeichnung in dem Blockbild bezieht sich auf eine entsprechende Buchstabenbezeichnung in den Wellenformendarstellungen gemäß den F ig. 12A-120.

Fig. 12A—120 sind Darstellungen von Wellenformen, die auf eine gemeinsame Zeitskala bezogen sind, und stellen Signale dar, die an verschiedenen Punkten in dem System gemäß F i g. 11 auftreten.

Fig. 13 ist eine Draufsicht auf einen Teil einer Anordnung der Abtastvorrichtungen, die jeweils zwei Platten in einer Leiter-Isolator-Halbieiterstruktu- aufweisen, die auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat ähnlich der Anordnung gemäß Fig.4 ausgebildet ist, und zeigt eine andere Kopplungsart der Platten von einem Zellenpaar.

Fig. 14 ist eine Schnittansicht der in Fig. 13 gezeigten Anordnung nach einem Schnitt entlang der Linien 14-14in Fig. 13.

Fig. 15 ist eine Schnittansicht der in Fig. 13 gezeigten Anordnung nach einem Schnitt entlang der Linien 15-15 in Fig. 13.

Fig. 16 ist eine Draufsicht auf einen Teil einer Anordnung von Abtastvorrichtungen, die jeweils zwei Platten in einer Leiter-Isolator-Halbleiterstruktur aufweisen, die auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat ähnlich der in F i g. 4 gezeigten Struktur ausgebildet ist, und zeigt eine weitere Kopplungsart der Platten der Zellen einer Vorrichtung.

Fig. 17 ist eine Schnittansicht der in Fig. 16

gezeigten Anordnung nach einem Schnitt entlang der Linien 17-17 in Fig. 16.

Fig. 18 ist eine Darstellung von einer Bildabtastanordnung, in der verschiedene funktionelle Blöcke zur Durchführung von Abtast- und anderen Funktionen integral auf einem gemeinsamen Substrat zusammen mit Abtastzellen und Leitungen dafür ausgebildet sind, um e'wi Bildabtastanordnung gemäß einem weiteren Merkma'nder vorliegenden Erfindung zu bilden.

Fig. 19A— 19H sind Darstellungen der Amplitude :über der Zeit, bezogen auf eine gemeinsame Zeitskala, von Signalen die an verschiedenen Punkten in der Anordnung gemäß Fig. 18 auftreten. Die Stelle des Auftretens eines Signales gemäß den Fig. 19A— 19H in dem Blockbild gemäß Fig. 18 ist in Fig. 18 durch eine Buchstabenbezeichnung angegeben, die der Buchstabenbezeichnung der Figurenbezeichnung entspricht.

Es wird nun auf die F i g. 1A. 1B und IC eingegangen, die eine Leiter-Isolator-Halbleiter-Strahlungsabtastzel-Ie 10 im Schnitt zeigen, die verschiedenen Betriebsstufen gemäß der vorliegenden Erfindung ausgesetzt ist. Die Zelle kann ein Teil einer Anordnung aus derartigen Zellen sein, die auf einem gemeinsamen Substrat aus Halbleitermaterial ausgebildet ist. Die Zelle ist nicht im genauen Verhältnis gezeigt, um die verschiedenen Teile und deren Funktionsweise deutlich darzustellen. Die Zelle umfaßt ein Substrat 11 aus η-leitendem Halbleitermaterial, eine Schicht 12 aus Isoliermaterial, die über einer Hauptfläche 13 des Substrates liegt, und einen leitenden Teil oder eine Platte 14, die über der gegenüberliegenden Oberfläche der Isolierschicht liegt. Die Platte 14 ist mit dem negativen Pol einer Quelle 15 für die Betriebsspannung verbunden, dt-ren positiver Pol mit Erde verbunden ist. Es sind zwei Ausgangsklemmen

16 und 17 vorgesehen, von denen die eine mit Erde und die andere mit dem Substrat 11 verbunden ist. Zwischen die Klemmen 16 und 17 ist ein Kondensator 18 geschaltet. Weiterhin ist zwischen die Klemmen 16 und

17 ein Schalter 19 geschaltet, der funktionell als ein einpoliger Hebelausschalter dargestellt ist. Der Einfachheit halber werden der Anschluß an die Platte 14, die mit einem Pol der Quelle 15 verbundene Ausgangsklemme 17 und die mit dem Substrat 11 verbundene Ausgangsklemme 16 entsprechend als erste, zweite und dritte Anschlüsse bezeichnet.

Die Wirkungsweise der Zelle 10 in einer Schaltung wird nun erläutert, wobei ein spezielles Beispiel betrachtet wird, in dem die Zelle 10 aus einem speziellen Material aufgebaut, die Elemente der Zelle 10 in speziellen Verhältnissen stehen und in dem spezielle Betriebsspannungen angelegt sind. Das Substrat 11 ist aus monokristallinem Silicium mit einer Dicke von etwa 250 μ (1 μ = 10-⁶m) mit einem spezifischen Widerstand von etwa 4 Ohm-cm und einer angemessenen Minoritätsträger-Lebensdauer in der Größenordnung von 50 Mikrosek. aufgebaut Die Isolierschicht 12 ist thermisch aufgewachsenes Siliciumdioxyd mit einer Dicke von etwa 0,1 μπι. Die Platte ist eine dünne Schicht aus einem geeigneten Material, wie beispielsweise Molybdän oder Aluminium, das durch Aufdampfen auf der Isolierschicht abgeschieden ist und eine Kontaktoberfläche von etwa 625 μπι aufweist, d. h. die Platte 14 kann als eine Platte von rechtwinkligem Umriß betrachtet werden, der etwa die Abmessungen 30 μπι auf 22 μπι aufweist Selbstverständlich kann die Platte auch aus irgendeinem leitfähigen Material gebildet sein, wie beispielsweise Silicium, das auf geeignete Weise dotiert ist, um es leitfähig zu machen. Die Quelle 15 liefert eine Spannungsdifferenz von 10 Volt. Wenn der Schalter 19 geschlossen ist, wird ein negatives Potential von 10 Volt in bezug auf das Substrat 11 an die Platte 14 angelegt, damit Majoritätsträger aus dem Bereich 20 in den der Oberfläche benachbarten Abschnitt des Substrates abgeführt werden, wobei diese Grenze schematisch durch die gestrichelte Linie 21 dargestellt ist. Zweckmäßigerweise kann das an die Platte 14 angelegte Anfangspotential als das erste Potential

ίο bezeichnet und das an den von dem Substrat entfernten Pol des Kondensators 18 angelegte Potential als das zweite Potential bezeichnet werden. Ein Strom fließt in den Kreis mit dem Substrat, um die dielektrische Kapazität, die durch die Kapazität der Platte im Verhältnis zur Substratoberfläche dargestellt wird, und die in Reihe geschaltete Kapazität der Verarmungszone aufzuladen. Die Breite der Verarmungszone, d. h. deren Eindringungsmaß in den der Oberfläche benachbarten Abschnitt des Substrates, kann in der Größenordnung von 3 μ unmittelbar nach Anlegen der dargestellten Potentiale an die Zelle betragen, wobei eine Anfangsverarmungskapazität von etwa 0,03 Pikofarad pro 625 μηι gebildet wird. Die Platten/Substrat- oder dielektrische Kapazität liegt in der Größenordnung von der lOfachen Kapazität der Kapazität der Verarmungszone. Im Augenblick des Anlegens der Betriebspotentiale an die Zelle wird eine Verarmung der Zone 20 erzeugt, und das Potential der Oberfläche der Zone 20 fällt auf einen Wert ab, der nahe bei dem Potential der Platte 14 liegt. Der Abschnitt des Substrates 11 außerhalb der Zone 20 liegt auf Erdpotential. Demzufolge sind die Potentialgradienten in der Verarmungszone derart orientiert, daß Minoritätsträger, also Löcher im Falle eines Halbleitermaterials mit η-Leitfähigkeit, die durch Strahlung erzeugt und insgesamt mit dem Pfeil 22 bezeichnet sind, in die Verarmungszone eintreten, um über die Verarmungszone gespült und an der Oberfläche davon gespeichert zu werden, um eine Inversionsschicht eines Leitfähigkeitstyps zu bilden, der dem Leitfähigskeitstyp des Substrates entgegengesetzt ist. Wenn ein Loch bzw. eine Fehlstelle an die Oberfläche der Verarmungszone gespült wird, bewegt sich ein Elektron aus dem Substratanschluß 16 zur Platte 14, um auf dieser eine Ausgleichsladung zu bilden. Dies ist schematisch durch den Pfeil 23 angegeben.

Es wird nun auf F i g. 1B eingegangen, die die Zelle gemäß Fig. IA nach einer Zeitperiode zeigt, während der auf Grund von Strahlung Ladungen erzeugt und in der Inversionsschicht gesammelt worden sind, die

so schematisch durch positive Ladungszeichen 24 nahe der Oberfläche der Zone 20 bezeichnet sind. Eine derartige Sammlung bewirkt, daß sich die Ausdehnung oder Breite der Verarmung in dem Substrat verkleinert, wie es durch die Grenzlinie 21 angegeben ist, und sie bewirkt weiterhin, daß das Potential der Oberfläche der Zone 20 in Richtung Erde bzw. Masse zunimmt

In Fig. IC ist der Schalter 19 geöffnet und anschließend ist das Potential der Platte 14 auf ein drittes Potential erhöht, d. h. in dem betrachteten Beispiel auf Erdpotential, was durch eine 0 neben einem Pol der mit der Platte 14 verbundenen Quelle 15 bezeichnet ist Die Erhöhung des Potentials der Platte 14 von einem negativen Wert auf 0 bewirkt eine Verklemerung des elektrischen Feldes, das die Ladung in der Oberflächen-Inversionsschicht hält und bewirkt weiterhin, daß die in der Inversionsschicht 24 gespeicherten Minoritätsträger In das Substrat injiziert werden. Die Injektion von Minoritätsträeern ist durch

die Verteilung von positiver Ladung über das Substrat 11 dargestellt. Eine derartige Injektion bewirkt, daß eine neutralisierende negative Ladung in das Substrat fließt, d. h. daß ein konventioneller Strom aus dem Substrat fließt. Dieser Strom fließt von dem Substrat 11 in den Kondensator 18, der auf einen Wert aufgeladen wird, der von der injizierten Ladung abhängt. Die in das rSubstrat injizierten Minoritätsträger verteilen sich schließlich oder rekombinieren sich darin. Eine erneute !Herstellung der Verarmungszone für einen weiteren Betriebszyklus sollte ein Verschwinden derartiger Minoritätsträger aus der Zone 20 abwarten, anderenfalls würde die gespeicherte Ladung in der erneut gebildeten Verarmungszone reakkumuliert oder erneut gesammelt werden.

In der einen Betriebsart verbindet der Schalter 19 die Substratklemme 16 mit Erde und anschließend wird ein negatives Potential an die Platte angelegt, um die VcfäiTiiüngszüne in dem Substrat für einen weiteren Strahlungsabtastzyklus erneut herzustellen. Demzufolge wird die Zelle einer Strahlung für einen Zeitraum ausgesetzt, der relativ lang sein kann, um Ladung zu speichern, die eine Funktion des Zeitintegrals des Strahlungsflusses auf die Zone bzw. den Bereich 20 und den dazu benachbarten Zonen oder Bereichen ist. Während eines zweiten Zeitraumes, d. h. der Zeit für die Ausgabe bzw. Anzeige, und diese Zeit kann ziemlich kurz sein, wird Ladung injiziert, indem zur gleichen Zeit, zu dsr der Schalter 19 geöffnet wird, das Potential der Platte 14 wieder auf 0 gebracht wird. Die integrierte Ladung auf Grund von Strahlung und die Verarmungszonenladung wird in dem Kondensator 18 gespeichert. Es können aufeinander folgende Proben der auf der integrierenden Kapazität 18 auftretenden Spannung abgenommen werden, um ein Video-Signal zu bilden, das die Änderung in der von der Zelle abgetasteten Strahlung darstellt. In einem alternativen Schaltkreis für diese Betriebsart kann der integrierte Kondensator eleminiert werden, und es werden die Spitzen der Verschiebungsströme, die durch Injektion in sukzessiven Betriebszyklen erzeugt werden, abgetastet und daraus werden Video-SigHale entwickelt.

In einer anderen bevorzugten Betriebsart der Struktur gemäß den Fig. IA, IB und IC wird das Potential auf der Platte 14 auf seinen ursprünglichen Wert zurückgebracht, bevor der Rückstellschalter 19 geschlossen wird und nach der Zeit, während der die injizierten Minoritätsträger aus der Zone bzw. dem Bereich 20 verschwunden sind. In dieser Betriebsart subtrahiert sich der Stromfluß in das Substrat von dem Stromfluß aus dem Substrat heraus. Die Verarmungszonenkomponente des Stromflusses aus dem Substrat heraus, die sich auf Grund von verbleibender Verarmungsladung gezeigt hat, ist ziemlich genau gleich dem Stromfluß in das Substrat hinein, der zunächst die Verarmungszone aufbaute, der als Verarmungszonen-Ladungssirom bezeichnet wurde. Wenn Minoritätsträger, die wegen aufgenommener Strahlung erzeugt werden, in zunehmendem Maße in der Inversionsschicht gespeichert werden, wird die Ausdehnung oder die Breite der Verarmungszone zunehmend verkleinert, d.h. die durch Strahlung erzeugte mobile Ladung verkleinert progressiv das elektrische Feld in dem Substrat und somit die Breite bzw. Ausdehnung der Verarmungszone. Deshalb wird die Verarmungszonenkomponente des Stromes in dem bei Injektion aus dem Substrat herausfließenden Strom zunehmend kleiner, wer.n durch Photonen erzeugte Ladung angesammelt wird. Wenn demzufolge das Zeitintegral des Verarmungszonen-Laciestromes subtrahiert wird von dem Zeitintegral des Injektionsstromes plus des verbleibenden Verarmungsladungsstromes, ist die resultierende Ladung als eine Funktion der empfangenen Strahlung im wesentlichen linear bei niedrigen Speicherwerten und weicht bei ansteigenden Speicherungswerten in zunehmendem Maße von der Linearität ab, bis bei einem maximalen Speicherungswert, oder der Sättigung, die Abweichung von der Linearität ein Maximum wird. Da jedoch die die Verarmungszone aufbauende Ladung wesentlich kleiner ist als die beim Sättigungswert gespeicherte Ladung, ist die Leistungsfähigkeit der Vorrichtung nicht merklich beeinflußt. Selbst wenn sie für wesentlich gehalten würde, kann eine derartige Nichtlinearität auf einfache Weie in den Gebrauchsschaltungen, in die die Vorrichtung eingebaut ist, kompensiert werden, wenn dies notwendig oder wünschenswert ist.

Es können Prüfwerte von der Spannung auf dem integrierenden Kondensator entnommen werden, die aus sukzessiven Betriebszyklen der Zelle resultiert, um ein Video-Signal zu liefern, das den integrierten Wert der Strahlung darstellt, die in sukzessiven Betriebszyklen auf die Zelle fällt. Somit können in dieser Betriebsart Störsignale, die in dem Video-Ausgangssignal auf Grund von an die Zelle angelegten Treiberspannungen erzeugt werden, weitgehend eleminiert werden. Im Falle einer Anordnung bzw. Reihe ist auch Ladung, die

jo in der Streukapazität der Leiter enthalten ist, welche mit der Platte der zur Ausgabe verwendeten Vorrichtung verbunden sind, ebenfalls in dem Strom enthalten, der in die integrierende Kapazität fließt. Diese Stromkomponente kann ziemlich groß sein im Verhältnis zu dem Stromfluß auf Grund von Ladungsinjektion. Da diese Stromkomponente jedoch durch Speicherung von ι -ίΐΗιιησ jn der Vorrichtun¹⁷ nicht beeinfluß* wird, wird sie vollständig unterdrückt bei der Wiederherstellung von Speicherpotential auf der Vorrichtung. Weiterhin

werden bei Anordnungen bzw. Reihen die Änderungen in den Zellkapazitäten eliminiert, so lange di. ersten und dritten Potentialwerte sich nicht beim Abtasten der Anordnung bzw. Reihe ändern. Auch wenn in dem beschriebenen Beispiel das dritte Potential, das an die Platte 14 angelegt ist, Erdpotential oder ein mit dem zweiten Potential identisches Potential ist, so sei darauf hingewiesen, daß das dritte Potential irgendein Potential zwischen den ersten und zweiten Potentialen sein könnte, was aus der folgenden Beschreibung noch deutlich wird.

Die in den Fig. IA, IB und IC beschriebene Zelle kann in einer linearen oder eindimensionalen Anordnung derartiger Zellen verwendet werden, die abgetastet und der Reihe nach adressiert werden, um ein elektrisches Signal von der auf die Anordnung auftreffenden Strahlung zu liefern. Jede Zelle kann periodisch betätigt werden, um der Reihe nach die durch die Fig. IA, IB und IC dargestellte Folge auszuführen, um an den Ausgangsklemmen ein Signal zu liefern. Die Spannung an den Ausgangsklemmen würde der Reihe nach abgefragt, um ein Video-Signal zu liefern, das die empfangene Strahlung darstellt Die lineare Anordnung von Elementen kann in zwei Dimensionen angeordnet sein, d. h. in Reihen und Spalten, in denen die Elemente

&* in einer ersten Reihe abgetastet und danach der Reihe nach die Elemente in einer zweiten Reihe und so fort abgetastet werden, bis die gesamte Anordnung abgetastet worden ist

Fig. ID zeigt ein vereinfachtes Schaltbild von einer derartigen eindimensionalen Anordnung von Abtastzellen, wie sie in den Fi g. IA, IB und IC beschrieben sind. .In dieser Figur stellt 25 das Substrat der für die Ausgabe zu adressierenden Zelle 26 dar. Das Substrat 27, das schematisch größer als das Substrat 25 gezeigt ist, stellt das Substrat der anderen Zellen 28 der Anordnung dar. Die Substrate der Zellen der Anordnung können getrennt sein oder in einem gemeinsamen Körper oder Plättchen aus Halbleitermaterial ausgebildet sein. Die Kapazität 31 stellt die Kapazität zwischen der Platte der Zelle 26 und der Oberfläche des Substrates 25 dar. Die Kapazität 32 stellt die Sammelkapazitäten der Platten der anderen Zellen 28 in Relation zur Oberfläche des Substrates 27 d :r. Die Substrate 25 und 27 sind durch einen Leiter 33 miteinander verbunden, auf dem die eine Ausgangsklemme 29 ausgebildet ist. Die mit Erde verbundene Klemme 30 bildet die andere Ausgangsklemme. Die Platte der Zelle 26 ist über einen Trennwiderstard 34 mit dem negativen Pol einer SpannungsqiHle 35 verbunden, deren positiver Pol mit Erde verbunden ist. Die Platten der anderen Zellen 32 sind über einen kollektiven Trennwiderstand 36 mit dem negativen Pol der Quelle 35 verbunden. Die Platte der Zelle 26 steht über einen Schalter 40 mit Erde in Verbindung. Die Platte von jeder der Zellen 27 ist weiterhin über einen entsprechenden Schalter mit Erde verbunden, der nicht dargestellt ist, da er nur zu der Zeit benutzt wird, zu der die Zelle für eine Ausgabe bzw. Anzeige adressiert wird. Ein Rückstellschalter 42 ist zwischen die Ausgangsklemmen 29 und 30 geschaltet, in dieser Schaltung wird nun die integrierende Kapazität, die relativ groß ist, im wesentlichen durch die Summe der Verarmungskapazitäten der Zellen 28 und der Streukapazität der Anordnung gebildet. Die integrierende Kapazität sollte groß sein in Relation zu der dielektrischen Kapazität einer Zelle. Der natürlichen Kapazität der Anordnung kann eine äußere Kapazität parallel geschaltet werden, falls dies wünschenswert oder notwendig ist.

Im Betrieb der Schaltung gemäß Fig. ID wird zunächst der Rückstellschalter 42 geschlossen, wodurch eine Spannung zwischen den Platten und dem Substrat der Anordnung gebildet und eine individuelle Verarmungszone 45 und eine kollektive Verarmungszone 46 in den Substraten 25 bzw. 27 hergestellt wird. Die Substrate der Zelle 26 und der kollektiven Zelle 28 werden auf Erdpotential aufgeladen. In den Verarmungsbereichen wird durch Strahlung erzeugte Ladung gespeichert. Nach einem gewissen Zeitraum, der ausreicht, damit sich durch Strahlung erzeugte Ladung in der Verarmungszone 45 sammelt, wird der Schalter 42 geöffnet. Da die Kapazität der kollektiven Zelle 28 groß ist, bleibt das Potential des Substrates 27 im wesentlichen auf Erdpotential. Als nächstes wird der Ausgabeschalter 40 geschlossen, der die Platte der Zelle 26 mit Erde verbindet und bewirkt, daß in der Verarmungszone 45 gespeicherte Ladung in das Substrat 25 injiziert wird. Eine derartige Injektion bewirkt, daß ein Verschiebungsstrom aus dem Substrat 25 heraus in die Kapazität der kollektiven Zelle 28 der Anordnung hineinfließt, wodurch eine Spannungsänderung zwischen den Ausgangsklemmen 29 und 30 erzeugt wird. Eine Öffnung des Ausgabeschalters 40, nachdem die injizierten Minoritätsträger sich entweder rekombiniert haben oder aus der Verarmungszone heraus gewandert sind, führt dazu, daß über den Ausgangsklemmen 29 und 30 eine resultierende Spannung auftritt,

die die durch Strahlung erzeugte Ladung darstellt, die in der Zelle 26 gespeichert ist. Die resultierende Spannung kann geprüft bzw. abgenommen werden. Der Rückstellschalter 42 wird dann geschlossen und das System wird automatisch für einen anderen Ausgabevorgang für eine andere Zelle zurückgestellt. Demzufolge können der Reihe nach die Zellen einer so geschalteten linearen Anordnung von Zellen abgefragt werden, um entsprechende Spannungen zu liefern, die ihrerseits abgenommen werden können, um ein Video-Signal zu liefern. Auch wenn die Trennwiderstände 34 bzw. 36 als mit den Platten der Zellen 26 und 28 verbunden gezeigt sind, so könnten die Platten genau so gut in der Weise dargestellt sein, daß sie mit Punkten verbunden sind, die einzeln pulsiert werden, wie es im folgenden beschrieben wird.

Es werden nun die F i g. 2A, 2B und 2C beschrieben, die ein Paar gekoppelte Abtastzellen zeigen, die für einen Betrieb in zweidimensionalen Anordnungen besonders geeignet sind. F i g. 2A zeigt die gekoppelten Zellen in einem Stadium, in dem Ladung in den Verarmungszonen gesammelt worden ist. Dieses Stadium würde dem in Fig. IB dargestellten Stadium entsprechen. F i g. 2B zeigt ein Stadium im Betrieb der gekoppelten Zellen, in dem die in einer Zelle gespeicherte Ladung auf die andere Zelle übertragen worden ist. Fig. 2C zeigt das Ausgabestadium im Betrieb der gekoppelten Zellen und würde dem in Fig. IC dargestellten Stadium entsprechen. Fig.2A zeigt eine Vorrichtung 50, die ein Substrat 51 aus η-leitendem Halbleitermaterial, ein isolierendes Teil 52, das über der Hauptfläche 53 des Substrates liegt, und zwei Platten 54 und 55 aufweist, die über dem isolierenden Teil liegen. Die Platte 54 ist mit einer Reihenleiterleitung einer Anordnung verbindbar, die aus Reihen und Spalten von Strahlung abtastenden Vorrichtungen besteht. Die Platte 55 ist mit einer Spaitenleiterleitung der Anordnung verbindbar. Der integrierende Kondensator 18 ist zwischen die Substratklemme 16 und die Erdklemme 17 geschaltet. Ein Rückstellschalter 19 ist den Klemmen 16 und 17 parallel geschaltet. Die Platten 54 und 55 sind in engem Abstand zueinander angeordnet, und das Substrat, das un.'er dem Raum zwischen den Platten liegt, ist mit einem p-leitenden Bereich 56 versehen. Die Platte 54 und die Platte 55 sind mit Betriebsspannungspunkten einer nicht gezeigten Betriebsspannungsquelle verbunden, um die angegebenen negativen Potentiale in bezug auf Erde zu liefern, d.h. V_x= -10 Volt

und

—10 Volt. Die Vorrichtung 50 und ihre zugehörige Schaltung ist der Vorrichtung 10 gemäß Fig. IA und deren Schaltung ähnlich. Demzufolge können die Klemmen der Vorrichtung 50 und die Betriebspotentiale dafür ähnlich bezeichnet werden. Die Verbindung mit der Spalten-orientierten Platte 55, der Erdklemme 17 und der Substratklemme v/erden entsprechend als erste, zweite und dritte Anschlüsse bezeichnet, und zusätzlich wird die Verbindung mit der Reihen-orientierten Platte 54 als der vierte Anschluß bezeichnet Die Speicherungspotentiale, die an die Spalten-orientierte Platte 55 und die Reihen-orientierte Platte 54 angelegt sind, werden entsprechend als erste und vierte Potentiale bezeichnet Das Referenz- oder Erdpotential wird als das zweite Potential bezeichnet Das Injektionspotential für die Spalten-orientierte Platte 55 wird das dritte Potential genannt Im Aufbau ist die Vorrichtung 50 mit der Vorrichtung 10 gleich, außer daß zusätzlich die Platte 54 vorgesehen ist, die der Platte 55 gleich ist und

im Abstand dazu auf einem Isolierten 52 angebracht ist. und daß ein p-leitender Bereich in d°m Substrat vorgesehen ist. der unter dem Raum zwischen den Platten 54 und 55 iiegt

Wenn Potentiale geeigneter Polarität in bezug auf das Substrat und gesi^neter Größe, beispielsweise die — 10Volt, wie es in Fig.2A angegeben ist an die Platten 54 und 55 angelegt werden, werden zwei Verarmungszonen 57 und 58 ausgebildet, die durch den eine hohe Leitfähigkeit aufweisenden Bereich 56 des p-Typs miteinander verbunden sind, der ebenfalls eine Verarmungszone 59 aufweist. Demzufolge kann eine Ladung, die in einer der Verarmungszonen unter einer der zwei Platten 54 und 55 gespeichert ist. auf einfache \\eise über den p-leitenden Bereich 56 in die Verarmungszone fließen. Wie im Falle von F i g. 1B bewirkt ein in die Verarmungszone eintretender Strahlungstluß die Erzeugung von Minoritätsträgern, die an der Oberfläche der Verarmungszonen gespeichert werden Dieser Zustand wird durch einen Stromfluß in das Substrat hinein angezeigt, wenn sich Ladung ir.: Oberflächenbereich der Verarmungszonen sammelt, und entspricht der Leitung von Elektroⁿenladung in den äußeren Potential anlegenden Schaltkreisen zwischen den Platten und dem Substrat. Fig. 2B zeigt den Zustand der Vorrichtung, wenn die Spannung auf der Platte 54 auf 0 gestellt ist. damit der Verarmungsbereich zusammenbricht und die darin gespeicherte Lü ung in die unter der Platte 55 liegende Inversionsschicht im Bereich 58 fließt oder auf diese übergeht. Um die Ladung auszugeben oder anzuzeigen, die in der Inversionsschicht gespeichert worden ist, wird das Potential auf der Platte 55 auf 0 herabgesetzt, nachdem der Ruckstellschalter 19. der dem integrierenden Kondensator 18 parallel geschaltet ist. geöffnet worden ist. Fr derartiger Vorgang bewirkt, daß die in der Inversionsschicht gespeicherten Träger in das Substrat iiji/ier; werden und einen Stromfluß aus dem Substrat ht-ju·- erzeugen, der die in der Verarmungszone gt -neicherte Ladung darstellt, wie es bereits in \ erbinduns mit F ' g. IC beschrieben wurde.

ϊλ werilcn nun die F i g. 3A. 3B und 3C erläutert, die auf entsprechende Weise die Kurvenbilder der T^reiberspannung V₁ der Spalten-orientierten Platte, des Ausgabestrome¹, und der Spannung des integrierenden Kondensators /eigen, die auf eine gemeinsame Zeitskala bezogen sind. Diese Kurvenbilder gelten für die in den Fig . 2\. 2B und 2C gezeigte Vorrichtung für zwei unterschiedliche Zustände der Ladungsspeicherung in den Zellen, wobei m .lern einen Zustand keine durch Strahlung erzeugte Ladung gespeichert und in dem anderen Zustand Ladung auf Grund von empfangener Strahlung gespeichert worden ist. Es sei angenommen, daß die Spannung V, der Reihen orientierten Platte auf 0 herabgesetzt worden ist. ¥ i g. 3A zeigt gleiche Impulse 61 und 62 der an die Platte 55 angelegten Treiberspannung in verschiedenen Betriebszyklen. F ι g 3B zeig: die Ströme, die bei Anlegen derartiger Impulse durch die Substratverbindung fließen. F ι g. 3C zeigt die Spannung, die auf Grund des in F i g. 3B gezeigten Stromflusses über dem Kondensator 18 entwickelt wird. F i g. 3C zeigt auch die Zeitperioden, in denen der Rückstellschalter 19 offen ist, und die Zeitperioden, in denen dieser Rückstellschalter geschlossen ist. Die ersten zwei Stromimpulse 63 und 64, die in Fi g. 3B gezeigt sind, stellen einen Zustand dar, in denen keine Strahlung aufgenommen und demzufolge keine Ladung in der Spalten-orientierten Zelle der Vorrichtung 50 gespeichert wild Während der Spannungsänderung von minus 10 Volt auf Erdpotential fließt die Ladung, die zur Herstellung der Verarmungszone 58 verwendet wurde, ab und erscheint als der positiv verlaufende Impuls 63. Nach der Ausgabeperiode wird die Spannung auf der Platte wieder auf ihren Wert von minus 10 Volt zurückgebracht und erzeugt einen Ladungsfluß, der durch einen Stromimpuls 64 dargestellt ist, um die anfängliche Verarmungszone

ίο unter der Platte 58 herzustellen. Dieser Stromimpuls 64 ist gleich dem Stromimpuls 63. Demzufolge wird über dem Kondensator 18 ein Spannungsimpuls 65 erzeugt, der abgesehen von seiner Amplitude in der Form im wesentlichen identisch ist mit dem Impuls 61. Die

is resultierende Ausgangsspannung am Ende des Integrationsbetriebes ist 0. wie es in F i g. 3C gezeigt ist. Es sei nun auf die Impulse 67 und 68 hingewiesen, die bei Anlegen des Impulses 62 an die Spalten-orientierte Zelle erzeugt werden. Der positive Impuls 67 mit großer Amplitude stellt die Ladung, die in dem Verarmungsbereich 58 auf Grund von Strahlung gespeichert wurde, und desgleichen einen gewissen Teil der Ladung dar. die auf Grund der Kapazität des Verarmungsbereiches in das Substrat floß. Der negative Impuls 68 mit kleiner Amplitude stellt den Strom dar. der in das Substrat fließt, um darin die Ausgangs-Verarmungszone herzustellen. Eine Integration der Impulse 67 und 68 im Kondensator 18 erzeugt einen Impuls 70 der gezeigten ^porm. Zunächst steigt die Spannung über dem Kondensator 18 auf eine große Amplitude oder auf einen Wert 71 wegen des ersten Stromimpulses 67 an. und bei Auftreten des zweiten Stromimpulses 68 fällt die Spannung auf dem Kondensator auf einen zweiten Wert 72 ab. der zweckmäßigerweise als die Hinterschulter des Impulses bezeichnet wird. Der zweite Wert 72 stellt eine Spannung dar. die der in der Inversionsschicht des Bereiches 58 gespeicherten Ladung entspricht. Es sei darauf hingewiesen, daß der Rückstellschalter 19 während des Abtastintervalles geöffnet ist. d. h.

während des Auftretens der Spannungsimpulse gemäß Fig. 13 von jedem Betriebszyklus der Abtastvorrichtung, und der Schalter bleibt während des Restes des Zyklus geschlossen, in dem die Ladungsspeicherung in der Vorrichtung auftritt, falls ein System mit einer einzigen Vorrichtung verwendet wird. Aufeinanderfolgende Betriebszyklen der Vorrichtung in einer Schaltung würden aufeinanderfolgende Spannungsimpulse erzeugen, wie beispielsweise den Impuls 70. dessen Hinterschulter sich mit der Strahlung ändert, die

so während der Speicherungsperiode auf die Vorrichtung auffällt. Ein Abtasten der Hinterschulter der aufeinanderfolgenden Spannungsimpulse würde ein Signal liefern, das die Änderung der auf die Vorrichtung auffallenden Strahlung als eine Funktion der Zeit darstellt. Bei einer Reihe derartiger Vorrichtungen wird der Schalter, der die allen Vorrichtungen der Reihe bzw. Anordnung gemeinsame integrierende Kapazität kurzschließt, während der Ausgabe bzw. Anzeige jeder Vorrichtung der Anordnung bzw. Reihe geöffnet und geschlossen und wird demzufolge während eines Speieherungs- und Ausgabezyklus einer einzelnen Vorrichtung der Anordnung bzw. Reihe viele Male periodisch betätigt.

Eine Anordnung und die Art und Weise, in der eine derartige Anordnung hergestellt wird, wird nun in Verbindung mit den F i g. 4,5, 6 und 7 beschrieben. Eine detailliertere Erläuterung der verschiedenen Betriebsarten der Zellen wird in Verbindung mit den F i g. 8A—8F,

9A—9F und lOA—1OF gegeben. Ein die Anordnung gemäß F i g. 4 enthaltendes System wird in Verbindung mit den Fig. 11 und 12A—12D beschrieben. Bevor jedoch die Anordnung gemäß F i g. 4 weiter beschrieben wird, erscheint es zweckmäßig, den Betrieb einer Zelle gemäß den Fig. IA-ID oder der Zellen gemäß den F i g. 2A—2C zu betrachten. Die dielektrische Kapazität der Zelle ist vorzugsweise groß in Relation zur Ausgangs-Verarmungskapazität der Zelle, um für ein großes Verhältnis der Speicherungskapazität für durch Photonen erzeugte Ladung zu Stör- bzw. Streustrom auf Grund einer Ladung und Entladung der Verarmungszone zu sorgen. Ein Verhältnis der Dielektrikums- zur Verarmungskapazität von 10:1 in jeder der Zellen einer zweidimensionalen Anordnung aus einer großen Anzahl von Zellen liefert eine angemessene Speicherungskapazität, um einen großen Bereich von Strahlungsintensitäten darzustellen, während das Störbzw. Streusignal auf Grund der Verarmungrzone klein genug ist, damit keine Oberbelastung des Verstärkers und demzufolge ein Verlust des Unterdrückens von kapazitiven Signalen aus den nicht zugegriffenen Zellen in einer Spalte der Anordnung auftritt Es gibt zwei Wege, um das Verhältnis für gegebene Betriebspotentiale zu ändern. Diese sind die Änderung der Isolierschichtdicke einerseits oder die Änderung des spezifischen Widerstandes des Substrates andererseits.

Auch die integrierende Kapazität ist vorzugsweise groß im Verhältnis zur dielektrischen Kapazität einer Zelle, um für relativ kleine Fluktuationen im Substratpotential in dem zyklischen Betrieb der Zelle zu sorgen. Bei einer größeren integrierenden Kapazität sind die Spannungsänderungen auf dieser in Abhängigkeit von Stromsignalen aus dem Substrat entsprechend kleiner, d. h. das Signal-Rauschverhältnis des abgetasteten Signales nimmt ab. Bei kleinerer integrierender Kapazität wird die Änderung im Substratpotential größer und es wird eine entsprechend kleinere Ladung in das Substrat für eine gegebene Differenz zwischen dem Speicherungspotential und dem Injektionspotential auf der Platte der Zelle injiziert, oder, mit anderen Worten, es ist eine größere derartige Potentialdifferenz erforderlich, um eine vollständige Injektion der gespeicherten Ladung zu erhalten.

Weiterhin ist es instruktiv zu betrachten, was passiert. wenn an eine Zelle, wie sie in den Fig. IA. IB und IC beschrieben ist. eine Stufenspannung zwischen das Substrat und die Platte von einer solchen Polarität und Größe angelegt wird, daß eine Verarmung in einem der Oberfläche benachbarten Bereich erzeugt wird. d. h. wenn die Platte in bezug auf das Substrat negativ ist. Im Augenblick des Anlegens der Rechteckspannung erstreckt sich die Verarmung für eine gewisse Strecke von der Substratoberfläche nach innen. Das Potential an der Oberfläche liegt in der Nähe des Potentials auf der Platte, d. h. es ist negativ. Das Potential nimmt als eine Funktion der Strecke in das Substrat hinein zu. bis es bei der vorgenannten gewissen Strecke F.rdpotential beträgt. Im Laufe der Zeit werden Minoritätsträger, die in dem Verarmungsbereich durch die thermische Energie der Zelle und durch auf die Zelle auftreffende Strahlung erzeugt werden, durch den vorgenannten Potentialgradienten in dem Verarmungsbereich zur Oberfläche des Verarmungsbereiches getrieben und dort durch das hergestellte elektrische Feld festgehalten. Die entsprechenden Elektronen der Löcherelektronenpaare, die erzeugt werden, wandern in der äußeren Vorspannschaltung zur Platte, wo sie gespeichert werden. Die Ansammlung von Minoritätsträgern in einer Schicht nahe der Oberfläche hat die Wirkung, daß der Leitfähigkeitstyp davon geändert wird, das Potential der Oberfläche des Halbleiters erhöht wird und die Strecke verkürzt wird, auf der die Verarmung in den Halbleiter hineinführt. Nachdem eine relativ lange Zeit verstrichen ist, die von der Geschwindigkeit der Erzeugung von Minoritätsträgern abhängig ist, ist in der Inversionsschicht genügend Ladung gespeichert, um das Oberflächenpotential auf einen Gleichgewichtswert anzuheben, der nahe bei und in einer festen Relation steht zum Erdpotential. Das Gleichgewichtsoberflächenpotential ist um einen Wert kleiner als das Potential der Masse des Substrates oder Erde, der im wesentlichen eine Funktion des Bandabstandes des für das Substrat verwendeten Halbleitermaterials und der Konzentration der darin vorhandenen Aktivatoren ist, und er würde der Differenz der Spannung des Valenzbandes in der Masse des Substrates und der Spannung des Valenzbandes an der nach innen gerichteten Fläche der Inversionsschicht entsprechen. Bei Gleichgewicht ist Φ« = Φα wobei <£s die Potentialdifferenz zwischen dem Fermi-Niveau der Masse und dem Valenzbandwert an der nach innen gerichteten Fläche der Inversionsschicht und Φβ die Potentialdifferenz zwischen dem Fermi-Niveau der Masse und dem Wert des Leitfähigkeitsbandes in der Masse des Substrates ist. Für das η-leitende Siliciummaterial mit einem spezifischen Widerstand von 4 Ω cm unterscheidet sich bei dem hier angegebenen Gleichgewicht das Oberflächenpotential von dem Potential in der Masse um einen Bruchteil von 1 Volt. Bei Gleichgewicht hat sich die Verarmungskapazität auf einen Wert erhöht, der in Relation zu seinem Anfangswert groß ist. Die bei Gleichgewicht in der Zelle gespeicherte Gesamtladung ist etwa gleich dem Produkt der dielektrischen Kapazität und der angelegten Spannung abzüglich der Schwellwertspannung. Die Schwellwertspannung wird definiert als die Spannung, bei der die Leitfähigkeitsund Valenzbänder derart gebogen sind, daß die Potentialdifferenz zwischen dem Valenzband an der Oberfläche und dem Massen-Fermi-Niveau gleich der Potentialdifferenz zwischen dem Leitfähigkeitsband und dem Fermi-Niveau in der Masse des Halbleiters ist. Wenn nichts anderes unternommen wird, verbleibt die Ladung in der Inversionsschicht, wenn ein Gleichgewicht hergestellt ist. Eint; weitere thermische Erregung des Halbleiters oder eine weitere Belichtung der Zelle mit Strahlung hat im wesentlichen keinen Einfluß darauf. Wenn die Platte wieder auf F.rdpotential gebracht wird, nachdem die Zelle vollständig geladen ist. bricht das Feld in der Zelle zusammen. Demzufolge werden die Minoritätsträger in der Inversionsschicht freigelassen oder in die Halbleitermasse injiziert, und es fließt ein entsprechender Verschiebungsstrom in der äußeren Schaltung, die einen Leiter mit dem Substrat verbindet. Sollte eine Ladungsinjektion in die Inversionsschicht vor einer Sättigung der Zelle auftreten, d. h. bevor das Oberflächenpotential einen Gleichgewichtswert erreicht, wird selbstverständlich ein Stromfluß erhalten, der diesen Wert der Ladungsspeicherung darstellt. Gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung werden die hier geschaffenen Leiter-Isolator-Halbleiterzellen in verschiedenen Betriebsarten bzw. -modi betrieben, wie es noch eingehender im folgenden in Verbindung mit den Fig.8A—8F, 9A—9F und 1OA-1OF beschrieben wird, bevor ein Gleichgewicht erreicht wird.

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Im Betrieb einer Anordnung bzw. Reihe würde eine Zelle auf Grund von Strahlung während einer ersten Zeitperiode Ladung speichern. Diese erste Zeitperiode sollte kleiner eingestellt sein, als sie auf Grund einer vollständigen Sättigung von einigen Zellen der Anordnung bzw. Reihe sein würde. Eine Ausgabe bzw. Anzeige der gespeicherten Ladung wird während einer zweiten nachfolgenden Zeitperiode durchgeführt, die gewöhnlich wesentlich kürzer als die erste Periode ist Eine Zelle speichert Ladung, während die anderen Zellen der Anordnung der Reihe nach abgefragt werden. Die zweite Periode sollte langer sein als die Zeit, die die injizierten Träger benötigen, um aus der zunächst verarmten Zone zu diffundieren, sich in dieser zu rekombinieren oder auf einem anderen Weg aus dieser entfernt zu werden, um eine Sammlung von vorher gespeicherter und injizierter Ladung zu vermeiden. Die untere Grenze der Abtastgeschwindigkeit für eine Anordnung bzw. Reihe gegebener Größe wird durch die Intensität der aufgenommenen Strahlung, die Speicherungskapazität einer Zelle und die Geschwindigkeit bzw. Raie der thermischen Erzeugung von Trägern bestimmt. Die obere Grenze wird selbstverständlich durch die oben erwähnten Diffusions- und Rekombinationszeiten festgelegt.

Wenn die Zellen einer Anordnung für eine lange Zeitperiode Strahlung ausgese'^t sind, werden sie vollständig mit Ladung gefüllt, d. h. es wird ein Gleichgewicht erreicht, und sie liefern eine sehr kleine Information auf dem abgetasteten Bild.

Der der integrierenden Kapazität parallel geschaltete Schalter wird w.hrend einer dritten Periode geschlossen, während eine Zelle Ladun" speichert, und wird während einer vierten Periode geöffnet, wenn Ladung von einer Speicherungsstelle in ό·", Substrat injiziert wird. Es wurde oben darauf hingewiesen, daß, da der gleiche Schalter für jede Zelle verwendet wird, dieser viele Maie geöffnet und geschlossen wird während der Speicherungsperiode der Zelle oder der Zeit, in der die Vorrichtung nicht abgefragt wird. Da jedoch das Substratpotential in der Nähe des Erd- oder Referenzpotentials liegt, ist die .Speicherfunktion im wesentlichen unbeeinflußt. In der bevorzugten Betriebsart wird der Schalter im Augenblick der Wiederherstellung der Verarmung in der Zelle für einen Zyklus einer folgenden Zelle geschlossen, und wird als die Rückstellzeit bezeichnet, und wird im Augenblick der Ladungsinjektion in das Substrat geöffnet.

Minoritätsträger werden in dem Substrat einer Zelle auf Grund thermischer Energie bei einer Geschwindigkeit und auf Grund von Photonenfluß auf Grund einer anderen Geschwindigkeit erzeugt. Thermische Energie allein bewirkt, daß eine Zelle ein Gleichgewicht über ein bestimmtes Zeitintervall erreicht, das durch die thermische Erzeugungsgeschwindigkeit von Minoritätsträgern bestimmt wird. Photonenenergie allein bewirkt, daß eine Zelle ein Gleichgewicht über einem anderen Zeitintervall erreicht, das durch die Photonen-Erzengungsgeschwridigkeit der Minoritätsträger bestimmt wird.

Für eine Anordnung brauchbarer Zellen sollte die ,!Geschwindigkeit der Photonenerzeugung von Minori-'tätsträgern vorzugsweise größer sein als die thermische Erzeugungsgeschwindigkeit über einen Abtastzyklus. Würden die Zellen einer Anordnung in der thermischen Erzeugung von Trägern gleichförmig sein, könnte die thermische Geschwindigkeit die Photonengeschwindigkeit übersteigen und es würde trotzdem ein brauchbares Signal erhalten. Wenn die thermische Geschwindigkeit der Erzeugung von Trägern nicht gleichförmig ist, stellt die Zelle mit der höchsten thermischen Erzeugungsgeschwindigkeit die Photonengeschwindigkeit ein, für die der Sensor vermutlich ausgelegt sein würde.

Es werden nun die F i g. 4, 5, 6 und 7 beschrieben, die eine Biidabtastanordnung 80 aus Strahlungsabtastvorrichtungen 81 zeigen, wie beispielsweise die in den F i g. 2A, 2B und 2C beschriebene Vorrichtung 50, die in vier Reihen und Spalten angeordnet st.id. Die Anordnung enthält vier Reihenleiterleitungen, die jeweils die Reihen-orientierten Platten einer entsprechenden Reihe der Vorrichtungen verbinden und die von oben nach unten mit X\, X2, Xi und Xa bezeichnet sind. Die Anordnung umfaßt weiterhin vier Spalten-."oiterleitungen, die jeweils die Spalten-orientierten Platten einer entsprechenden Spalte von Vorrichtungen verbinden und die von links nach rechts mit Y_x, Y₂, Yi und Ya bezeichnet sind. Leitende Anschlüsse zu den Leitungen sind über leitende Stege oder Kontaktfahnen 82 hergestellt, die an jedem Ende von jeder der Leitungen vorgesehen sind. Auch wenn es in Fig.4 erscheinen mag. daß die Reihenleiterleitungen die Spaltenleiterleitungen kreuzen, so sind die Reihenleiterleitungen von den Spaltenleiterleitungen durch eine Schicht 84 aus transparentem Glas isoliert, wie es aus den F i g. 5, 6 und 7 deutlich wird. In F i g. 4 ist die Außenlinie der ur>:er der Glasschicht 84 liegenden Struktur aus Klarheitsgründen ausgezogen gezeigt.

Die Anordnung enthält ein Substrat oder eine Platine 85 aus Halbleitermaterial mit η-Leitfähigkeit, über dem eine Isolierschicht 86 ausgebildet ist. die eine Hauptfläche des Substrates 85 berührt. In der Isolierschicht sind zahlreiche tiefe Aussparungen 87 ausgebildet, die jeweils für eine entsprechende Vorrichtung 81 vorgesehen sind. Demzufolge ist die Isolierschicht 86 mit einem dicken oder wulstartigen Abschnitt 88 versehen, der zahlreiche dünne Abschnitte 89 an der Unterseite der Vertiefungen umgibt. Auf dem Boden oder dem Basisabschnitt von jeder Vertiefe ig ist ein Paar im wesentlichen gleicher leitfähiger Platten oder leitfähiger Teile 91 und 92 mit rechtwinkligem Umriß angeordnet. Die Platte 91 wird als eine Reihen-orientierte Platte und die Platte 92 wird als eine Spalten-orientierte Platte bezeichnet. Die Platten 91 und 92 einer Vorrichtung 81 sind im engen Abstand zueinander entlang der Richtung einer Reihe und mit im wesentlichen parallelen benachbarten Kanten angeordnet. Betrachtet man die Anordnung von links nach rechts so ändern die Reihen-orientierten Platten 91 ihre seitliche Lage in bezug auf die Spalten-orientierten Platten 92. Demzufolge sind die Reihen-orientierten Platten 91 von Paaren benachbarter Vorrichtungen einer Reihe benachbart und durch einen Leiter 93 miteinander verbunden, der einstückig mit der Bildung der Platten 91 hergestellt wird. Mit einer derartigen Anordnung wird eine einzige Verbindung 94 von einer Reihenleiterleitung durch ein Loch in der erwähnten Glasschicht 81 mit dem Leiter 93 hergestellt, der zwei Reihen-ori»ntierte Platten verbindet. Die Spalten-orientierten Leiterleitungen werden einstückig mn der Ausbildung der Spalten-orientierten Platten 92 hergestellt. Der der Oberfläche benachbarte Abschnitt des Substrates 85, der unter dem Raum zwischen den Platten 91 und 92 von jeder Vorrichtung 81 liegt, wird mit einem Bereich 96 mit p-Leitfähigkeif versehen, der dem p-leitenden Bereich 56 gemäß F i g. 2A entspricht. Ein Bereich 97 in dem Substrat weist ebenfalls p-Leitfähigkeit auf und wird gleichzeitig mit

der Bildung des p-leitenden Bereiches 96 gemäß einer Diffusionstechnik für deren Ausbildung hergestellt, bei der die Platten 91 und 92 als Diffusionsmasken verwendet werden. Die Glasschicht 84 liegt über dem dicken Abschnitt 88 und dem dünnen Abschnitt 89 der Isolierschicht 86 und den Platten 91 und 92, den Leitern 93 und deren Spalten-orientierten Leitungen Y\ — Yi_n abgesehen von deren Anschlußfahnen 82. Die Glasschicht 84 kann einen Akzeptor-Aktivator 33 enthalten und kann in der Ausbildung der p-leitenden Bereiche 96 und 97 verv endet werden. Auf der Hauptfläche des Substrates ist gegenüber der Hauptfläche, auf der die Vorrichtungen 81 ausgebildet werden, eine ringförmige Elektrode 98 vorgesehen. Eine derartige Verbindung mil dem Substrat gestattet, daß die Rückfläche und desgleichen auch die Frontfläche Strahlung von einem abzutastenden Objekt aufnimmt

Die Bildabtastanordnung SO und die Vorrichtungen 81, von denen sie gebildet wird, kann unter Verwendung verschiedener Materialien und in einer großen Vielfalt von Größen durch bekannte Techniken zur Herstellung integrierter Schaltungen hergestellt werden. Es wird nun ein bestimmtes Beispiel einer Anordnung beschrieben, bei dem spezifische Materialien un^ spezifische Abmessungen verwendet werden. Das Halbleitermaterial ist ein Plättchen aus monokristallinem Silicium mit n-Leitfähigkeitstyp, einem spezifischen Widerstand von 1 Ω cm und einer Dicke von 250 μπι. Die Isolierschicht ist thermisch aufgewachsenes Siliciumdioxyd. wobei die dünnen Abschnitte 89 von 0.1 μίτι, die unter den Platten liegen, getrennt aufgewachsen sind nach dem Ätzen einer zunächst gleichförmigen Schichtdicke von 1 μπι aus thermisch aufgewachsenem Siliciumdioxyd. um darin die Vertiefungen 87 auszubilden. Die Reihenorientierten rechtwinkligen Platten 91 und die Spaltenorientierten Platten 92 sind aus Dampf-abgeschiedenem Molybdän herg<- stellt. Die Platten sind 30.5 χ 22.9 μιτι groß und benachbarte Kanten sind in einem Abstand von 5 μπι angeordnet. Die Verbindungen 93 zwischen benachbarten Reihen-orientierten Platten benachbarter Vorrichtungen einer Reihe und die Spaitenleiterleitungen Vi- /4 bestehen ebenfalls aus Molybdän und sind einstückig mit der Ausbildung der Reihen-orientierten Platten 91 und Spalten-orientierten Plat,en 92 hergestellt. Die Isolierschicht 84 ist ein Borsilikatglas, das über den Platten 91 und 92 und deren Leitern durch Dampf abgeschieden ist. Wie im folgenden noch erläutert wird, ist die p-leitende Zone in dem Substrat durch Diffusion aus der Borsilikat-Glasschicht 84 durch den dünnen Abschnitt 89 der Siliuumoxydschicht 86 hindurch gebildet. Die Reihen-orientierten Leitungen X₁- X₄ sind aus Dampf-abgeschiedenem Aluminium gebildet, das über der Isolierschicht 84 liegt, öffnungen 99 in der Isolierschicht 84 über den Leitern 93. die benachbarte Reihen-orientierte Platten 91 von benachbarten Vorrichtungen einer Reihe verbinden, ermöglichen die Herstellung von hindurchführenden Verbindungen 94, so daß alle Reihen orientierten Platten einer Reihe mit der Reihenleiterleitung der entsprechenden Reihe verbunden werden. Die Ringelektrode 98 bildet einen ohmischen Kontakt iv.n den Substrat.

Ausgehend von dem Siliziumpläuchen 85 mit ^n-Leitfähigkeitstyp wird eine dicke Oxydschicht 86 "thermisch aufgewachsen. Bis zur Oberfläche des Siliziumplättchens führende Vertiefungen werden in der Oxydschicht 86 ausgebildet, wobei übliche photolithographische Techniken verwendet werden. Anschließend werden die dünnen Abschnitte 89 der Schicht bis zur gewünschten Dicke thermisch aufgewachsen, um die Basisabschnitte der Aussparungen 87 zu bilden. Über den freiliegenden Abschnitten der Isolierschicht wird eine Molybdänschicht mit einer Dicke von 0,4 μιτι durch Dampf abgeschieden. Die Molybdänschicht wird mit einem Muster versehen, wobei konventionelle photolithographische Techniken angewendet werden, um die Platten 91 und 92, die Leiter 93 und die Spaken-orientierten Leitungen Y\ — Ya zu bilden. Als nächstes wird das Niedertemperatur-Borsilikatglas über dem Plättchen abgeschieden, um die Isolierschicht 84 zu bilden. Das Plättchen 85 wird erhitzt um Bor aus der Schicht 84 heraus durch die dünnen Abschnitte 89 der Schicht 86 in die Basisabschnitte der Vertiefungen 87, die durch die

is Molybdänleiter nicht maskiert sind, und in das Siliciumsubstrat hineinzudrücken, um in diesem die Bereiche bzw. Zonen 96 und 97 des p-Leitfähigkeitstyps auszubilden. Die Isolierschicht 84 wird mit einem Muster aus Löchern 99 versehen, die durch die Leiter 33 hindurchführen, und anschließend wird eine Schicht aus Aluminium mit einer Dicke von 1 μπι durch Verdampfung über der Oberfläche d ■■ Isolierschicht 84

Löcher 99 hinein und stellt eine Verbindung mit den Leitern 93 her. Die Aluminiumschicht wird in der Weise ausgeformt, daß die Reihen-orientierten Leiterleitungen X\ — X* gebildet werden.

Die Fig.8A—8D stellen Stufen in dem Betrieb einer Vorrichtung 81 der Bildabtastanordnung 80 gemäß F i g. 4 dar, wenn die Anordnung auf der Basis von Reihe bei Reihe und Spalte bei Spalte abgetastet wird. Das Abtasten der Anordnung wird in Verbindung mit den F i g. 11 und 12A—120 näher beschrieben. Bei einem typischer Abtastzyklus der vollständigen Anordnung wird die Spannung auf der Reihenleiterleitung der abgetasteten Reihe von einer vierten vorbestimmten Spannung auf eine dritte vorbestimmte Spannung geändert und dann wieder auf die vierte vorbestimmte Spannung gebracht, nachdem alle Spaltenleiterleitungen abgetastet worden sind. Um jede Vorrichtung der Reihe nach in der Reihe der abgetasteten Vorrichtungen abzufragen, wird die Spannung auf jeder der Spaltenleiterleitungen ihrerseits von einer ersten vorbestimmten Spannung auf eine dritte vorbestimmte Spannung verändert und dann wieder auf die erste vorbestimmte Spannung zurückgebracht. In den Diagrammen gemäß Fig. 8A—8D werden bestimmte Spannungswerte von -20, 0 bzw. —10 für die vierten, dritten und ersten vorbestimmten Spannungen verwendet. Die Werte von -20Voit und -10 Volt liegen sicher jenseits der Schwellwertspannung von einigen Volt, was für die Zellen charakteristisch ist, aus denen die Vorrichtungen gebildet sind.

)ede der Fig.8A--8D enthält eine Endansicht der Vo ι chtung 81 und zeigt die Reihen-verbundene oder Reihen-orientierte Platte 91. die Spalten-verbundene oder die Spaiicn-orientierte Platte h2, die dünne Isolierschicht 89 und das Halbleitersubstrat 85. Unier jeder der Vorrichtungen in den Figuren befindet sich ein Diagramm, in dem die Abszisse die Strecke entlang der Oberfläche des Substrates darstellt und in der die

,Ordinate das ungefähre Oberflächenpotential Φ$ des .', Substrates darstellt. In F i g. 8A stellt die Umi ißlinie 105, "die zweckmäßigerweise als eine zusammengesetzte Potentialwelle bezeichnet wird, das sie aus zwei eng gekoppelten Potentialmulden gebildet ist, und zwar die eine unter der Platte 91 und die andere unter der Platte 92. die Potenlialänderune entlane der Oberfläche des

Substrates im Augenblick des Anlegens der angegebenen Spannungen dar, d. h. bei Fehler, der in den Zellen der Vorrichtung gespeicherten Ladung. Das Niveau bzw. der Wert 106 stellt das Potential an der Oberfläche des Substrates unter der Platte 91 dar, und das Niveau bzw. der Wert 107 stellt das Potential auf der Oberfläche des Substrates unter der Platte 92 dar. Auch wenn die Werte 106 und 107 mit entsprechenden Werten —20 und —10 Volt dargestellt sind, so sind die tatsächlichen absoluten Werte um einen Faktor kleiner als angegeben, der von der Schwellwertspannung der Leiter-Isolator-Halbleiterstruktur und dem Verhältnis der Oxydkapazität zur Verarmungsschichtkapazität abhängt.

Auf sowohl thermisch erzeugte als auch durch Strahlung erzeugte Minoritätsträger in den Verarmungszonen der Zellen und innerhalb einer Diffusionslänge in den Zellen hin akkumulieren die Potentialmulden und speichern derartige Minoritätsträger. Irgendwelche in dem Substrat unterhalb der Spalten-orientierten Platte 92 erzeugte Minoritatstrager fließen in die Potentialmulde unter der Reihen-orientierten Platte 91 wegen der Differenz in den Potentialwerten 106 und 107. bis das Oberflächenpotential unter der Platte 91 auf einen Wert 108 ansteigt, der gleich dem Wert 107 ist, wie es in Fi g. 8B gezeigt ist. Die schraffierte Fläche bezeichnet gespeicherte Minoritätsträger, die im wesentlichen alle durch Photonen erzeugt wurden. Zweckmäßigerweise wird diese Ladung als durch Photonen erzeugte Ladung ζ) bezeichnet. Der gezeigte Zustand ist eine maximale Ladungsspeicherung für die Vorrichtung und ist zu Zwecken der Erläuterung der Prinzipien der Erfindung gewählt. Es sei angenommen, daß ein derartiger Zustand aus der Ansammlung von durch Photonen erzeugten Trägern im wesentlichen über einem Abtastzyklus der Vorrichtung der Anordnung resultiert. F i g. 8C stellt den Ladungsspeicherungszustand der Vorrichtung dar. der für eine Ausgabe der gespeicherten Ladung vorbereitet ist. d. h. wenn die Spannung der Reihen-orientierten Platte auf 0 herabgesetzt ist. Unter diesem Zustand wird die in der Reihen-orientierten Zelle der Vorrichtung gespeicherte Ladung »umgekippt« oder fließt in die Spalten-orientierte Zelle, wobei sie deren Oberflächenpotential auf den Gieichgewichtswert erhöht, der der Zweckmäßig-' keil wegen mit 0 angegeben ist. Tatsächlich ist das Gleichgewicht-Oberfiächenpotential um einen festen Wert, wie es vorstehend bereits ausgeführt wurde, kleiner als 0. aber nahe genug bei 0, um die Erfindung zu beschreiben. Die wichtigen Überlegungen sind, daß es einen festen Wert in Relation zu Erdpotential und einen Wert aufweist, der von dem Wert bei der anfänglichen Verarmung genügend getrennt ist. um eine Speicherung von durch Photonen erzeugten Ladung zu gestatten. F i g. 8D stellt den Ladungsirpeicherungszustand der Vorrichtung nach dem Erhöhen der Spannung der Spalten-orientierten Platte 92 auf 0 dar, damit die gespeicherte Ladung in das Substrat injiziert wird. Aus Zweckmäßigkeitsgrüp.den ist die injizierte Ladung als ein Block der Ladung Q gezeigt, der von der Nullachse des Kurvenbildes getrennt ist IEs sei darauf hingewiesen, daß einige der Minoritätsträger, die in den Verarmungszonen der Zellen der Vorrichtung erzeugt werden, die schnellen Oberflächenstellen an der Oberfläche des Substrates ausfüllen, da deren Belegungswahrscheinlichkeit durch das Biegen der Leitfähigkeits- und Valenzbänder des Substrates in dein der Oberfläche benachbarten Abschnitt auf die angelegte Speicherspannung hin erhöht wurde. Diese Ladung wird bei Änderung der Spannung auf der Platte 92 auf 0 injiziert. Die injizierte Ladung wird in der Weise abgetastet, wie es in Verbindung mit den Fig.2A, 2B und 2C beschrieben wurde und wie es in Verbindung mit Fi g. 12 noch näher beschrieben wird. Die gespeicherte Ladung Q ist proportional zum Zeitintegrai des Strahlungs- oder Photonenflusses, der durch die Verarmungszonen der Zellen der Vorrichtungen aufgenommen wird und entspricht einem Sättigungswert der ίο aufgenommenen Strahlung. Die Reihen-orientierte und Spalten-orientierte Plattenspannung wurde im Verhältnis von 2 : 1 ausgewählt, so daß unter dem in Fig. 8C dargestellten Zustand die Spalten-orientierte Zelle in der Lage sein würde, die gesamte Ladung in der Vorrichtung zu speichern, ohne daß eine unerwünschte Injektion der überschüssigen Ladung in das Substrat die Folge ist. Es wird deutlich, daß, wenn weniger als die maximale Ladung Q in einem Zyklus der Zelle gespeichert sein würde, diese Ladung insgesamt injiziert werden würde.

Nachdem die gespeicherte Ladung injiziert worden uns aus dem Verarmungsbereich der Spalten-orientierten Zelle verschwunden ist, wird deren Platte 92 auf — 10 Volt herabgesetzt, um eine Potentialmulde zu erzeugen, wie sie in Fig.8C ohne die gespeicherte Ladung ζ) gezeigt ist. Nachdem die Vorrichtungen einer Reihe abgetastet worden sind, werden die Spannungen der Reihenleitung und demzufolge der Reihen-orientierten Platte 91 auf -20VoIt herabgesetzt, um im wesentlichen die zusammengesetzte Potentialmulde 105 zu erzeugen, wie sie in Fig. 8A gezeigt ist. Dies vervollständigt die zyklische Arbeitsweise der Vorrichtung der Anordnung.

Es wird nun auf F i g. 8E eingegangen, die den Zustand der Zellen einer Vorrichtung in einer Spalte, die für eine Ausgabe adressiert ist, aber in einer anderen Reihe als der zur Ausgabe gebrachten darstellt. Es sei darauf hingewiesen, daß die Ladung, die der Einfachheit halber als maximale gespeicherte Ladung Q gezeigt ist, in der Reihen-orientierten Zelle beibehalten wird, während die Spannung der Spalten-orientierten Zelle auf 0 herabgesetzt ist. Somit gewinnt !keine Vorrichtung, die »halb-gewählt« ist, keine Ladung beim Anheben der Spannung der Spalten-orientierten Platte auf 0. Es sei bemerkt, daß schnelle Oberflächenladung injiziert wird: sie ist jedoch klein im Vergleich zur gespeicherten Ladung und sie ist nicht variabel mit durch Photonen erzeugten Ladungsraten.

Die Fig. 9A—9D stellen Stadien in dem Zyklus einer Vorrichtung 81 gemäß der vorliegenden Erfindung dar, die exakt den in den Fig.8A—8D beschriebenen Stadien mit gewissen Modifikationen entsprechen, um die Leistungsfähigkeit der Vorrichtung zu verbessern. Die dritte vorbestimmte Spannung, auf die die Reihen-orientierte Platte 91 verändert wird, um Ladung von der Reihen-orientierten auf die Spalten-orientierte Zelle zu übertragen, und auf die die Spalten-orientierte Platte 92 verändert ist, um eine Injektion von Ladung zu bewirken, ist nun auf —5 Volt eingestellt Diese Spannung liegt oberhalb der Schwellwertspannung der Zellen. Ein Betrieb der Zellen der Anordnung oberhalb der Schwellwertspannung liefert eine gute Leitfähigkeit zwischen den Zellen für einen Ladungsübergang zwischen diesen. Die Existenz einer Inversionsschicht aus Minoritätsträgerladung b«i dieser Spannung vermeidet irgendwelche Probleme, die durch Nichtgleichförmigkeit der Schwellwertspannungen der Vorrichtungen der Anordnung hervorgerufen werden, von der sie

ein Teil sind, und sie vermeidet auch die Injektion von Ladung, die die schnellen Oberflächenstellen in den Vorrichtungen füllt, wenn diese sich in dem in Fig.9E dargestellten Halbwählzustand befinden. Auf diese Möglichkeit ist Jn Verbindung mit Fig. 8E hingewiesen. Um für die gleiche Ladungsspeicherkapazität in der Vorrichtung gemäß den F i g. 9A—9D zu sorgen, wie in der Vorrichtung gemäß den Fig. 8A—8D, ist die Spamung der Reihen-orientierten Platte auf —25 und die !spannung der Spalten-orientierten Platte auf

— 15 Volt eingestellt.

Die periodische Arbeitsweise der Vorrichtung 81 gemäß den Fig.9A —9D ist der zyklischen Arbeitsweise der Vorrichtung unter den Betriebsbedingungen gemäß den Fig.8A-8D ähnlich. Fig.9A stellt den Beginn eines Betriebszyklus der Vorrichtung dar, d. h. den Augenblick der Rückkehr sowohl der Spaltenorientierten Platte 92 als auch der Reihen-orientierten Platte 91 der Vorrichtung 81 auf ihre Speicherpotentiale. Die Ladung 0'. die als iterative Ladung bezeichnet und in der zusammengesetzten Potentialmulde 110 unter der Reihen-orientierten Platte 91 gespeichert gezeigt ist, hat ihren Ursprung in der Änderung der Spannung auf den Spalten-orientierten und Reihenorientierten Platten auf eine von 0 abweichende Spannung, um eine Injektion der gespeicherten Ladung zu bewirken. Ihr Ursprung wird deutlich aus der Erläuterung der periodischen Arbeitsweise der Vorrichtung 91. Die Ladungskomponente Q' ist in den Potentialmulden zur Identifikation und Erläuterung durch eine Schraffur gezeigt, die zur Schraffur der durch Pho'onen erzeugten Ladung Q senkrecht verläuft. Am Beginn des Zyklus beträgt das Potential an den Oberflächenabschnitten des Substrates 85, die unter der Spalten-orientierten Platte 92 und der Reihen-orientierten Platte 91 liegen, —15 Volt, wie es durch das Niveau 111 angegeben ist. Fig. 9B zeigt, daß die maximale durch Photonen erzeugte Ladung Q, die in der Vorrichtung gespeichert ist, und die iterative Ladung Q' ein Oberflächenpotential von —10 Volt erzeugen, was durch das Niveau 112 angegeben ist. Vor der Injektion der durch Photonen erzeugten Ladung C? wird das Potential auf der Reihen-orientierten Platte 91 auf

— 5 Volt verändert, wodurch die Ladungsverteilung der unter den Platten liegenden Potentialmulden erzeugt wird, die in F i g. 9C dargestellt ist. Als nächstes wird das Potential der Spalten-orientierten Platte 92 auf —5 Volt verändert, wodurch eine Ladung, die über das hinausgeht, was die unter den Platten liegenden Potentialmulden von —5 Volt halten können, was durch die durch Photonen erzeugte Ladung (^dargestellt ist, in das Substrat injiziert wird, wie es in Fig.9D beschrieben ist Im Betrieb der Vorrichtung in einer Anordnung würde sich die iterative Ladung ζ)'über den ersten wenigen Betriebszyklen ansammeln. Die An-Sammlung und Existenz derartiger Ladung ist wesentlich für die in den Fig.9A—9D dargestellte Betriebsweise, wobei die daraus resultierenden Vorteile vorstehend hervorgehoben wurden. Nachdem die gespeicherte Ladung Q injiziert worden und aus der Verarmungszone der Spalten-orientierten Zelle verschwunden ist, wird die Platte 92 auf — 15VoIt herabgesetzt, um eine Potentialmulde, wie sie in F i g. 9C gezeigt ist, ohne die durch Photonen erzeugte Komponente der Ladung Q zu erzeugen. Nach Abschluß des Abtastens der Reihe wird die Reihenorientierte Platte 91 wieder auf —25 Volt gebracht um darin die zusammengesetzte Potentialmulde mit der iterativen Ladung Q' auszubilden, wie es in Fi g. 9A gezeigt ist. Dies schließt den Zyklus der Vorrichtung der Anordnung, Es sei darauf hingewiesen, daß Ladung gespeichert wird, während sich die Vorrichtung 81 in den verschiedenen Selektionszuständen zur Ausgabe und Rückkehr von einem derartigen Zustand zu dem in F i g. 9A dargestellten Zustand befindet.

Es wird nun F i g. 9E beschrieben, die die Zustände der Zellen einer Vorrichtung 81 in einer Spalte, die zur Ausgabe adressiert ist, aber in einer anderen Reihe als diejenige Reihe darstellt, die abgefragt wird. Es sei darauf hingewiesen, daß die maximale durch Photonen erzeugte Ladung Q und die iterative Ladung Q' die unter der Reihen-orientierten Platte 91 liegende Potentialmulde so weit füllen, daß ein Oberflächenpotential von —5 Volt erzeugt wird, das gleich dem unter der Spalten-orientierten Platte 92 liegenden Oberflächenpotential ist. Demzufolge wird eine Injektion von Oberflächenladung, wie sie in Verbindung mit Fig.8E beschrieben wurde, vermieden und zusätzlich wird eine Sicherheitsgrenze geschaffen für ein unerwünschtes Überspülen von in den Potentialmulden angesammelter Ladung und demzufolge eine unerwünschte Ladungsinjektion.

In den Fig. 10A—IOD sind Stadien in der periodischen Arbeitsweise einer Vorrichtung 81 gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt, die exakt den in den Fig.QA-9D dargestellten Stadien entsprechen, wobei gewisse Modifikationen vorgenommen sind, um die Ladungsspeicherkapazität zu verdoppeln. Die Speicherspannung, die an die Spalten-orientierte Platte 92 angelegt ist, wird der Speicherspannung gleichgemacht, die an die Reihen-orientierte Platte 91 angelegt wird. Demzufolge wird Ladung in den Potentialmulden gespeichert, die unter beiden Platten liegen. Die Verwendung von —5 Volt auf der Reihen-orientierten Platte 91 und der Spalten-orientierten Platte 92, um einen I.adungsübergangund eine Injektion zu bewirken, stellt eine gute Leitfähigkeit in dem Substrat unter beiden Platten sicher und ermöglicht demzufolge, daß Ladung zwischen den Zellen für eine Ausgabe leicht übertragen wird, wie es in Fig. IOD dargestellt ist, und daß eine Injektion unter dem Halbwählzustand vermieden wird, wie es in Fig. 1OE dargestellt ist. Die iterative Ladung Q' tritt aus Gründen auf, die in Verbindung mit Fig.9A—9D angegeben wurden. Die iterative Ladung Q' wird in der zusammengesetzten Potentialmulde 114 gespeichert, die unter beiden Platten liegt, wie es an dem Wert 115 in Fig. 1OA gezeigt ist. F i g. 1OB zeigt die durch Photonen erzeugte Ladung Q zusammen mit der iterativen Ladung Q', die in der unter beiden Platten liegenden zusammengesetzten Potentialmulde gespeichert ist und die dadurch das Oberflächenpotential auf einen Wert 116 erhöht. F i g. 1OC zeigt die Vorbereitung der Vorrichtung für eine Ausgabe bzw. Anzeige durch eine Änderung des Potentials der Reihen-orientierten Platte 91 auf das Obergangspotential von —5 Volt Es ist zu beachten, daß die iterative Ladung Q' und die durch Photonen erzeugte Ladung Q die resultierende zusammengesetzte Mulde 117 vollständig füllen. Eine Änderung der Spannung auf der Spalten-orientierten Platte 92 auf Injektionspotential von —5 Volt bewirkt eine Injektion der durch Photonen erzeugten Ladung Q und eine Beibehaltung der iterativen Ladung Q'. Fig. 1OE zeigt den Ladungsspeicherungszustand einer »halb-gewählten« Vorrichtung 81, wenn sie eine maximale durch Photonen erzeugte Ladung enthält

Bei den in Verbindung mit den F i g. 8A-8E, 9A-9E und 10A—1OE beschriebenen Betriebsarten ist das Ladungsübertragungspotential auf der Reihen-orientierten Platte 91 das gleiche wie das Ladungsinjektionspotential, das auf den Spalten-orientierten Platten 92 Verwendet wird. Die Vorrichtungen arbeiten in gleicher Weise, wenn das Übertragungspotential und das ilnjektionspotential unterschiedlich sind, unter dieser Bedingung isf jedoch die maximale speicherbare -Ladung verkleinert. Das Potential, auf das die iiReihen-orientierte Platte 91 zurückkehrt, wenn es jjjinders als das gleiche Potential ist, auf das die Spalten-orientierte Platte verändert wird, kann zweckmäßigerweise als das fünfte Potential bezeichnet werden.

In Fig. Il ist ein Blockdiagramm von einem System gezeigt, das die Bildabtastanordnung 80 gemäß Fig.4 enthält, um ein Video-Signal zu liefern auf Grund von Strahlung, die beispielsweise durch ein nicht gezeigtes Linsensystem auf die Anordnung geworfen ist. Ferner ist eine Anzeigevorrichtung 120 in das System geschaltet, wie beispielsweise eine Kathodenstrahlröhre, um das Video-Signal in eine visuelle Anzeige des Bildes umzuwandeln. Das System wird in Verbindung mit den Fig. 12A—120 beschrieben, die auf eine gemeinsame Zeitskala bezogene Kurvenbilder der Amplitude über der Zeit von Signalen zeigen, die an verschiedenen Punkten in dem System gemäß Fig. 11 auftreten. Die Stelle des Auftretens eines Signales gemäß den Fig. 12A—120 ist in Fig. 11 durch eine Buchstabenbezeichnung angegeben, die der Buchstabenbezeichnung der jeweiligen Figur entspricht. Die Amplituden der Signale der Fig. 12A—120 sind nicht auf eine gemeinsame Spannungs- oder Stromskala bezogen. Dies ist aus Gründen der Klarheit der Beschreibung des Betriebes der erfindungsgemäßen Vorrichtung geschehen. Die Betriebsart für die Vorrichtungen der Anordnung gemäß F i g. 11 ist diejenige, die Jn Verbindung mit den F i g. 9A—9E beschrieben wurde. Das System enthält einen Zeitimpulsgenerator 121, der eine Reihe regelmäßig auftretender Impulse von kurzer ,Dauer erzeugt, die zur Zeitsteuerung des Bildabtast- «Subsystems und des Anzüge-Subsystems dafür verwendet werden. Die Ausgangsgröße des Impulsgenerators .£121 ist in F i g. 12A gezeigt, die Impulse 122 zeigt, die der XReihe nach an Zeitpunkten t\ — ts auftreten und einen ,halben Abtastzyklus des Betriebes der Anordnung darstellen. Der Ausgang des Zeitimpulsgenerators ist an einen ersten Zähler 123 gelegt, der die Zählung des ZeiHmpulsgenerators durch vier dividiert. Die Ausgangsgröße des ersten Zählers 123 wird auch einem zweiten Zähler 124 zugeführt, der die zugeführte ..Zählung nochmals durch vier dividiert.

Die Ausgangsgröße des zweiten Zählers 124 wird dem Reihenleitungsdekoder und Treiber 125 zugeführt, der während eines Betriebszyklus vier Ausgangsgrößen entwickelt, die jeweils einer entsprechenden der Reihenleiterleitungen X\ -Xa der Anordnung zugeführt werden, wobei in den Kurvenbildern gemäß den Fig. 12B und 12C nur die ersten und zweiten Ausgangsgrößen dargestellt sind Die erste Ausgangsgröße 126, die in Fig. 12B gezeigt ist, wird der Reihenleiterleitung X\ zugeführt und die zweite Ausgangsgröße 127, die in Fig. 12C gezeigt ist, wird der Reihenleiterleitung X₁ zugeführt Die erste Ausgangsgröße steigt von —25 Volt auf —5 Volt an, wo sie bis zur Zeit u verbleibt, wo sie auf —25 Volt abfällt. Auf dieser Spannung bleibt sie während des restlichen Zyklus. Zur Zeit U steigt die zweite Ausgangsgröße von — 25 Volt auf —5 Volt an, wo sie bis zur Zeit fs bleibt, wonach sie auf -25VoIt (ibfällt und dort für den Rest des Abtastzyklus bleibt. In ähnlicher Weise steigt zur Zeit fs die nicht gezeigte dritte Ausgangsgröße von —25 Volt an, wo sie bis zu einer Zeit verbleibt, zu der der zwölfte Impuls des Zeitimpulsgenerators auftritt. Dann fällt sie auf —25VoIt ab, wo sie stehen bleibt. Schließlich hat während der Zeit zwischen der zwölften und sechzehnten Ausgangsgröße von dem Zeitimpulsgenerator der nicht gezeigte vierte Impuls einen Wert von —5 Volt ■und einen Wert von —25 Volt während des restlichen Abtastzyklus. Da jede der Leitungen X\ — A₄ über einen entsprechenden Trennwiderstand 131 — 134 mit einem durch eine Schwelle 130 gelieferten Potentialpunkt von

— 25 Volt in bezug auf Erde verbunden ist. bewirken die zugeführten Ausgangsgrößen aus dem Reihenleitungsdekoder und Treiber 125 einen Potentialanstieg auf jeder der Leitungen ΛΊ — Xt der Reihe nach von —25 Volt auf —5 Volt. Wie vorstehend in Verbindung mit den Fig.9A —9E ausgeführt wurde, erhöht die Anhebung des Potentials der Reihenleiterleitung das Potential der Reihen-orientierten Platten 91 der damit verbundenen Vorrichtungen 81 und ermöglicht eine Ausgabe der Vorrichtungen durch Anlegen der Ausgabepotentiale an die Spalten-orientierten Platten 92.

Die Ausgangsgröße des Zeitimpulsgenerators 121 wird auch dem Zeitgeber- und Steuerschaltungsblock 135 zugeführt, der zahlreiche Ausgangsgrößen für das System liefert. Der Spaltenleitungsdekoder und Treiber 136 erhält eine Eingangsgröße von dem Zeitgeber- und Steuerschaltungsblock 135 und Eingangsgrößen von dem ersten Zähler 123, um vier Ausgangsgrößen 137—140 zu liefern, die auf entsprechende Weise in den Fig. 12D— 12G gezeigt sind und die einem entsprechenden Zeitimpuls entsprechen, die zu den Zeitpunkten fi — u auftreten. Jede der Ausgangsgrößen werden einer entsprechenden der Spaltenleiterleitungen Y\ — V₄ zugeführt, wobei die Ausgangsgrößen 137—140 entsprechende Impulsabschnitte 137'—140' aufweisen. Jede Ausgangsgröße steigt von —15 Volt auf —5 Volt an, wo sie für ein Zeitintervall verbleibt, und anschließend kehrt sie auf — 15 Volt zurück. Da jede der Leitungen Ki-V₄ über einen entsprechenden Trennwiderstand 141 — 144 mit einen durch eine Quelle 145 gelieferten Potentialpunkt von —15 Volt in bezug auf Erdpotential verbunden ist, bewirken die von dem Spaltenleitungsdekoder und Treiber 136 daran angelegten Ausgangsgrößen einen Potentialanstieg auf jeder der Leitungen Y\ — Yt, der Reihe nach von —15 Volt auf

— 5 Volt. Wie oben bereits in Verbindung mit den Fig.9A—9E ausgeführt wurde, erhöht die Anhebung des Potentials einer Spalten-orientierten Leitung das Potential der Spalten-orientierten Platten 92 der damit verbundenen Vorrichtungen 81, und demzufolge werden Minoritätsträger, die in der Vorrichtung in der für eine Ausgabe gewählten Reihe gespeichert sind, in das Substrat der Anordnung injiziert Das Intervall, zu dem die Spaltenleiterleitung auf —5 Volt gehalten wird, wird so eingestellt, daß die injizierten Träger aus dem Speicherbereich verschwinden können. Die Wiederherstellung von —15 Volt stellt die Vorrichtung für einen weiteren Betriebszyklus ein.

Der Stromfluß in der Schaltung mit dem Substrat der Anordnung über den Substratkontakt 98 in Abhängigkeit von einem sequentiellen Abtasten der Vorrichtungen in den ersten und zweiten Reihen der Anordnung ist

in der Kurve 146 gemäß F i g. 12H dargestellt. In dieser Fi₆'uf sind aclit Paare von Stromimpulsen gezeigt, die dem Stromfluß in der Schaltung mit dem Substrat während der Ausgabe der Vorrichtungen der ersten und zweiten Reihen in einer Sequenz entsprechen. Der erste auftretende Impuls von jedem Paar entspricht einem Stromfluß, der der Ausgabe von durch Strahlung erzeugten Ladung und einem gewissen Teil der Verarmung erzeugenden Ladung entspricht, die im Augenblick des Anlegens von Speicherpotential an die jSpalten-orientierte Platte 92 der Vorrichtung entspricht. Der zweite auftretende Impuls mit entgegengesetzter Polarität zu dem ersten auftretenden Impuls entspricht dem oben erwähnten Stromfluß, der aus dem Anlegen von Spannung an die Spalten-orientierte Platte 92 der Vorrichtung resultiert. Der erste Impuls von jedem Paar tritt an der Vorderkante von einem entsprechenden der Spaltentreiberimpulse 137'—140' auf und der zweite Impuls von jedem Paar tritt an der Hinterkante eines entsprechenden der Treiberimpulse 137'—140' auf. Die ersten Impulse sind mit verschiedenen Amplituds-ii gezeigt, die verschiedenen Größen der in verschiedenen Vorrichtungen der ersten zwei Reihen gespeicherten Ladung entsprechen. Die Amplituden der zweiten Impulse sind identisch, da die Spalten-orientierten Zellen von jeder Vorrichtung identisch aufgebaut sind und demzufolge einen identischen Strom aufnehmen würden, der einen Lade- oder Verarmungsbereich erzeugt. Die wichtige Überlegung in diesem Zusammenhang ist nicht die Änderung bzw. Abweichung in derartigen Ladeströmen unter den Zellen, sondern vielmehr die Differenz im Ladungsfluß in das Substrat 'hinein, um die Anfangsverarmung und die Ladung auszubilden, die bei Injektion der gespeicherten Ladung zurückfließt. Wie oben bereits ausgeführt wurde, ist bei Ladungsspeicherungswerten von 0 die Differenz 0 und nimmt progressiv zu bis zum maximalen Speicherungswert. Ein derartiger Zustand erzeugt eine leichte Nichtlinearität im Ansprechverhalten des Systems. Eine Integration der ersten und zweiten Impulse von jedem Impulspaar wird beispielsweise durch Aufladen eines Kondensators geschaffen, wobei die Spannung über dem Kondensator die Ladung darstellt, die in der Abtastvorrichtung 81 in der ersten Reihe und der ersten Spalte gespeichert ist. Eine derartige Funktion wird von einem Kondensator 150 ausgeführt, der zwischen dem -'Substratkontakt 98 und Erde geschaltet ist. Der Kondensator 150 stellt im wesentlichen die Kapazitäten des Substrates 85 der Anordnung 80 in Relation zu den Platten der Vorrichtungen 81 dar, die andere sind als die Vorrichtungen in der eine Ausgabe durchlaufenden iSpalte, wie es in Verbindung mit F i g. 2D erläutert ' wurde, und umfaßt die Streukapazität, wie beispielsweise die Kapazität der Anordnungsleiter und der 'Kontaktfahnen, und kann auf Wunsch auch eine zusätzliche Kapazität umfassen. Ein N-Kanal-Feldeffekttransistor 151 ist vorgesehen, von dem der seine Source 153 und Drain 152 umfassender Kreis dem Kondensator 150 parallel geschaltet ist und dessen Steuerelektrode 154 mit dem Zeitgeber- und Steuerblock 135 verbunden ist, der die Rückstellimpulse 155 liefert, wie sie in F i g. 12K gezeigt sind. Die Rückstellimpulse 155 schalten von Erdpotential auf eine positive Spannung um. Die Hinterkante 156 von jedem Rückstellimpuls weist die gleiche Lage auf wie die Vorderkante von einem entsprechenden Impuls der Spaltenleitungs-Treiberimpulse 137'—140'. Demzufolge ist außer während des Ausgabeintervalles für jede Vorrichtung 81 der Kondensator 180 kurzgeschlossen oder ein Nebenschluß nach Erde gelegt. Beim Auftreten eines Spaltentreiberimpulses werden zwei Stromimpulse, wie oben bereits erläutert wurde, erzeugt, die durch den Kondensator 150 integriert werden und zu einem entsprechenden, zwei Werte aufweisenden Ausgangsimpuls führen, wobei der erste Wert der Ladung des ersten Stromimpulses und der zweite Were der Ladung des ersten Stromimpulses abzüglicn der Ladung des zweiten Stromimpulses entsprechen. Die Ausgangsgröße über dem Kondensator ist in der Kurve 157 gemäP Fig. 121 gezeigt, in der jeder der zwei Werte aufweisenden Impuise 158, die einen ersten Wert 158a und einen zweiten Wert 158b besitzen, einem entsprechenden Paar der Impulse gemäß Fig. 12H entsprechen. Im Falle des ersten und siebten Impulses der Kurve 157 ist der zweite Wert 0, wodurch angezeigt ist, daß keine durch Strahlung erzeugte Ladung in den entsprechenden Vorrichtungen gespeichert worden ist. Derjenige Zeitraum, der der Einfachheit halber als die erste vorbestimmte Periode bezeichnet wird, stellt diejenige Zeit dar, während der durch Strahlung hervorgerufene Ladung in einer Vorrichtung gespeichert wird, und diejenige Periode, die der Einfachheit halber als eine zweite vorbestimmte Periode bezeichnet wird, stellt die Zeit dar, während der Ladung ausgegeben bzw. angezeigt wird und die dem Zeitintervall eines Spaltentreiberimpulses entspricht. Das dritte vorbestimmte Intervall entspricht derjenigen Zeit, während der der Rückstellschalter geschlossen ist, und das vierte vorbestimmte Intervall stellt die Zeit dar, während der de<· Rückstellschalter offen ist. Da der gleiche Kondensator 150 und der gleiche Schalter, der Transistor 151, bei der Ausgabe von in jeder der Vorrichtungen gespeicherten Ladung verwendet wird, ist die Anordnung während des Speicherzyklus einer Vorrichtung viele Male mit Erde verbunden. Da die Signalspannungsamplitude klein ist in Relation zu den Speicherungspotentialen, die auf den Platten verwendet werden, beeinflußt ein derartiger Vorgang nicht die Speicherung in den Vorrichtungen, die nicht abgefragt werden.

Die über dem integrierenden Kondensator 150 auftretende Ausgangsgröße wird einem Video-Kanal 160 zugeführt, der einen ersten Verstärker *61, eine Abtast- und Halteschaltung 162 und einen zweiten Verstärker 163 umfaßt, dessen Ausgangsgröße der Z-Achse oder Elektronenstrahi-Intensitätsmodulationselektrode der Kathodenstrahlröhren-Anzeigevorrichtung 120 zugeführt wird. Die Abtast- und Halteschaltung bzw. der Momentanwertspeicher 162 enthält einen N-Kanal MOSFET-Transistor 164, der eine Drain 165, eine Source 166 und eine Steuerelektrode 167 aufweist und einen Kondensator 168. Der Stromverlauf von Source nach Drain des Transistors 164 ist zwischen den Ausgang des Verstärkers 161 und eine Elektrode des Kondensators 168 geschaltet, dessen andere Elektrode mit Erde verbunden ist. Die Steuerelektrode 167 ist mit dem Zeitgeber- und Steuerschaltungsblock 135 verbunden, der einen Zug von Abtastimpulsen 170 liefert, wie sie in der Kurve gemäß F i g. 12J gezeigt sind. Jeder der Impulse 170 weist eine kurze Dauer auf und ist im gleichen Abstand entlang der Zeitachse der Kurve angeordnet Für jeden Zeitgeberimpuls 122 tritt ein Abtastimpuls 170 auf. Jeder Impuls weist eine derartige Phasenlage auf, daß er während des Auftretens der Hinterschulter oder dem zweiten Wert 1586 der zwei Werte aufweisenden Video-Impulse 158 eemäß

F i g. 121 auftritt, die auf dem integrierende.1 Kondensator 150 erscheinen. Während der Abtastintervalle ist der Transistor 164 eingeschaltet, damit sich der zweite Kondensator 168 seinerseits auf eine Spannung aufladen kann, die jer Spannung der zweiten Werte 1586 der Impulse 158 gemäß Fig. 121 entspricht. Demzufolge wird ein Video-Signal 171, wie es in Fig. 12L gezeigt ist geliefert bei dem sich das Signal von einem Video-Wert bzw. -Niveau auf ein anderes verschiebt beim Abtastintervall gemäß der Spannung auf dem integrierenden Kondensator 150 während des Abtastintervalles. Wie vorstehend bereits ausgeführt wurde, wird das Video-Signal durch den zweiten Veistärker 163 verstärkt und der Intensitätsmodulationsselektrode der Anzeigevorrichtung 120 zugeführt

Eine vertikale Ablenkung des Elektronenstrahls der Anzeigevorrichtung wird durch eine Rechteckwelle 174 einer Spannung geliefert von der in Fig. 12O nur 2 Stufen gezeigt sind. Die Rechteck- bzw. Stufenweile 174 wird aus der Ausgangsgröße des zweiten Zählers 124 mittels eines Digital/Analogwandlers 175 gebildet. Dieser Digital/Analogwandler 175, der mit dem Ausgang des zweiten Zählers 124 verbunden ist liefert eine Null-Ausgangsgröße während der ersten vier Impulse eines Zeitsteuerzyklus und demzufolge ist der Elektronenstrahl in seiner obersten oder ersten Lage entlang der V-Achse der Anzeigevorrichtung angeordnet. Beim Auftreten des vierten Zeitsteuerimpulses zur Zeit u verschiebt sich die Spannung am Ausgang des Digital/Analogwandlers 175 auf einen höheren Wert bzw. ein höheres Niveau, das einer Koordinate auf der Y- Achse der Anzeigevorrichtung entspricht, die von der ersten Lage nach unter in eine zweite Lage verschoben ist. und bleib* dort während der nächsten vier Zeitimpulse. Beim Auftreten des Zeitsteuerimpulses zur Zeit u wird der Elektronenstrahl nach unten in eine dritte Lage verschoben und bleibt dort bis zum Ende des zv. olften Zeitimpulses. Zu dieser Zeit verschiebt sich die Ausgangsgröße aus dem Digital-Analogwandler 175 auf ihren höchsten Wert und bleibt dort bis zum Ende des sechzehnten Impulses, wonach sie auf 0 zurückkehrt. Während der vierten Stufe in der Spannunj'swelle nimmt der Strahl seine unterste oder vierte Stellung auf der V'-^chse ein

Fur ein Kippen des Elektronenstrahles der Anzeigevorrichtung 120 entlang der .Y-Achse oder der horizontalen Achse wird durch eine weitere Stufenwelle 176 gesorgt, wie sie in Fig. 12N gezeigt ist. Die Spjnnungswelle 176 wird von dem Digital/Analogwandler 177 geliefert, der mit dem ersten Zähler 123 verbunden ist und alle vier Zeitimpulse periodisch arbeitet und eine Reihe von Stufen mit zunehmender Amplitude in dem Augenblick liefert, in dem ein Zeitimpuls auftritt. Während der Strahl an einer Bewegung auf einem Niveau entlang der V-Achse durch die Stufenwelle 174 gehindert ist. wird der Elektronenstrahl demzufolge stufenförmig an der X-Achse entlang bewegt, um vier Stellungen einzunehmen, die jeweils von dem linken Rand der Anzeigevorrichtung sekzessiv weiter verschoben sind. Während der stufenförmigen Bewegung der Kippspannungswelle auf der V-Achse von einem Wert zu einem anderen Wert kehrt die Kippspannungswelle für die X-Achse zum linken Rand zurück, um ihren Zyklus zu wiederholen. Wenn demzufolge an der oberen linken Ecke der Anzeigevorrichtung gestartet wird, wird der Elektronenstrahl von links nach rechts entlang der X-Achse sukzessiv umgeschaltet auf sukzessiv verschobene Stellungen entlang einer Reihe für jede der aufeinanderfolgenden Reihen. Während des Intervalles, in dem der Elektronenstrahls von einer Stellung zur anderen umgeschaltet wird, wird der Elektronenstrahl mittels eines Austastsignales 178 ausgetastet, wie es in Fig. 12N gezeigt ist Das Austastsignal gemäß Fig. 12N wird von dem Zeitgeber- und Steuerschaltungsblock 135 erhalten und tritt in einer zeitgesteuerten Relation zum Zug der Zeitimpulse aus dem Zeitimpulsgenerator 121 auf.

ίο Während des horizontalen Abtastzyklus wird der Elektronenstrahl der Anzeigevorrichtung 120 während desjenigen Intervalles ausgeschaltet in dem der Elektronenstrahl von der einen Horizontalstellung der Anzeigevorrichtung in die nächst benachbarte Stellung umgeschaltet wird, und bleibt ausgeschaltet bis nach dem Auftreten eines entsprechenden Abtastimpulses 170. Anschließend wird der Strahl eingeschaltet und bleibt eingeschaltet, bis der Elektronenstrahl der Anzeigevorrichtung in seine nächst benachbarte Position umgeschaltet ist. Es sei darauf hingewiesen, daß positive Werte des AustastsignrJes ein Austasten des Elektronenstrahles erzeugt, und Null-Werte des Austastsignales entsprechen Intervallen, in denen der Elektronenstrahl eingeschaltet ist. In dem System gemäß Fig. 11 ist zwar nur eine Form des Abtastens und Aus'astens für eine Anzeige gezeigt worden, selbstverständlich können jedoch auch andere Ausführungsformen zum Kippen und Austasten verwendet werden, um eine Anzeige zu schaffen.

Es werden nun die Fig. 13. 14 und 15 erläutert, die vier Abtastvorrichtungen 180 in einer Bildabtastanordn-ing 181 für Strahlungsabtastvorrichtungen zeigen, die der Anordnung 80 gemäß den Fig.4 —7 ähnlich ist. Diejenigen Elemente der Anordnung 181 der Fig. 13— 15, die mit den Elementen der Anordnung 80 gemäß den Fig. 4 —7 identisch sind, sind gleich bezeichnet. Die Anordnung gemäß den Fig. 13. 14 und 15 wird in einer ähnlichen Weise hergestellt, in der die Anordnung gemäß Fig. 4 hergestellt ist. Jedoch ist die Lage des p-ieitenden Bereiches 96. der die Verarmungszonen der Zellen einer Vorrichtung 81 koppelt und die Spalten-onentierte Platte 182 der Vorrichtung 181 mit der Reihen-orientierten Platte 183 mittels einer Verlängerung 182' überlappt, derart ausgebildet daß eine enge Kopplung zwischen den Verarmungszonen der Zellen der Vorrichtung 181 erzielt wird. Anstelle des Ringleiters 98 gemäß den Fig. 4 —7 bildet ein leitfähiger Film oder eine leitfähige Platte 184 die elektrische Verbindung mit dem Substrat 85. Das Verfahren zur Herstellung der Anordnung gemäß F i g. 13 ist identisch mit dem Verfahren zur Herstellung der Anordnung gemäß den Fig. 4 —7. außer daß der Diffusionsschritt eliminiert worden ist. Die Reihenorientierten Platten 183 von jeder der Vorrichtungen werden gleichzeitig zusammen mit den Reihenleiterleitungen zum Verbinden der Reihen-orientierten Platten einer Reihe hergestellt. Dann wird über die Reihenorientierten Platten eine Isolationsschicht 84 gelegt und die Leiterleitungen werden darauf gelegt. Anschließend werden die Spalten-onentierten Plätten 182 von jeder der Vorrichtungen und die Spaltenleiterleitungen gleichzeitig durch Dampfabscheidung aus einem Metall gebildet, wie beispielsweise Aluminium. Die metallisierte Schicht wird so geformt, daß sie einen Überlappungsabschnitt der Reihen-orientierten Platte 183 einer Vorrichtung mit deren Spalten-orientierten Platte 182 schafft, wie es in den Figuren gezeigt ist. Bei diesem Verfahren ist die Oxydschicht zwischen der Platte 182

und dem Substrat dicker als die Schicht 89 unter der Platte 183. Die Speicherkapazität, die in der Potentialmulde unter der Platte 182 gewünscht wird, wird durch Anlegen des geeigneten Speicherpotentials erhalten. In anderer Hinsicht ist die Anordnung gemäß Fig. 13 identisch mit der Anordnung gemäß Fig.4. Die Betnebsweise der Anordnung 181 in einem System zur Lieferung eines Video-Signales auf die empfangene Strahlung hin ist identisch mit der Betriebsweise der Anordnung gemäß den Fig.4—7, die bereits in Verbindung mit den F i g. 11 und 12A—120 beschrieben wurde.

Es wird nun auf die Fig. 16 und 17 eingegangen, die zwei Vorrichtungen 190 einer Bildabtastanordnung 191 zeigen, die der Bildabtastanordnung gemäß den Fig.4—7 ähnlich ist, außer daß die p-leitenden Diffusionszonen 96 eliminiert worden sind. Eine enge Kopplung der Verarmungsbereiche einer Vorrichtung wird durch eine enge Beabstandung ihrer Platten 91 und 92 erhalten. Vorzugsweise sind die Platten 91 und 92 derart zu den benachbarten Rändern 91s und 92s beabstandet, daß deren Verarmungsbereiche mit den Inversionsschichten der Zelle einer Vorrichtung in koppelndem Eingriff stehen, um dazwischen eine gute Leitfähigkeit zu erhalten, wie es bereits in Verbindung mit den Fig. 9A-9D und 10A-IOD beschrieben wurde. Die Elemente der Anordnung gemäß den Fig. 16 und 17 sind gleich bezeichnet. Das Verfahren zur Ausbildung der Anordnung gemäß den Fig. 16 und 17 ist identisch mit dem Verfahren zur Ausbildung der Anordnung gemäß den F i g. 4 — 7, außer daß der Schritt zur Herstellung des diffundierten p-leitenden Bereiches % zwischen den Platten einer Vorrichtung eliminiert woroen ist.

Anstelle des Ringleiters 98 gemäß den Fig.4-7 sorgt ein leitender Film oder eine Platte 194 für die elektrische Verbindung mit dem Substrat 85. In anderer Hinsicht ist die Vorrichtung und deren Herstellung identisch mit der Vorrichtung gemäß F1 g. 4. Die Betnebsweise der Vorrichtung gemäß den Fig. 16 und ίο 17 ist identisch mit der Betriebsweise der Vorrichtung gemäß F i g. 4 in einem System, wie es in Verbindung mit F i g. 11 beschrieben wurde.

In Fig. 18 ist ein Blockdiagramm der Anordnung 80 gemäß F i g. 4 und auch F i g. Π für eine Verwendung in -ti einem System gezeigt, wie es in Verbindung mit F i g. 11 beschrieben wurde, in dem die Treiberschaltungen für die Reihenleiterleitungen ΛΊ — X₄ und die Spaltenleiterleitungen Vi - K₄ in das Substrat 207 der Baueinheit 200 inkorporiert sind, um die Anzahl der Außenanschlüsse ><> auf ein Minimum herabzusetzen, die zur Verwendung der Anordnung 80 in einem System hergestellt werden müssen. Das Substrat 207 weist eine größere Fläche auf als das Substrat 85 gemäß F i g. 4, um eine Inkorporation der zusätzlichen Schaltungen zu gestatten. Ansonsten ist >'. das Substrat 207 gleich aufgebaut wie das Substrat 85.

Das System wird nun in Verbindung mit den Fig. 19A-I9H beschrieben, die auf eine gemeinsame Zeitskala bezogene Kurvenbilder der Amplitude über der Zeit zeigen für Signale, die an verschiedenen &o Punkten in der Baueinheit 200gemäß Fig. 18 auftreten, wenn diese in der 2U beschreibenden Weise in *ein System geschaltet wird, wie es in F i g. 11 .gezeigt ist. Der Punkt des Auftretens eines Signales gemäß den Fig. 19A— 19H ist in Fig. 18 mit einem Buchstaben bezeichnet, der der Buchstabenbezeichnung in der Vergleichsfigur entspricht. Der Arbeitsinodus für die Vorrichtungen der Anordnung gemäß F i g. 18 ist gleich dem Arbeitsmodus, der in Verbindung mit den Fig. 1OA- 1OE beschrieben wurde. In den Vorrichtungen gemäß Fig. 18 ist jedoch die maximale an die Vorrichtungen angelegte Speicherspannung — 15VoIt anstelle der -2SVoIt, die in Verbindung mit den F i g. 1OA — 1CE angegeben wurde. Die Bildabtastanordnung 80 ist identisch mit der Bildabtastanordnung gemäß F i g. 11 und enthält Reihenleiterleitungen Xi- Xa und Spaltenleiterleitungen Y₁-Ya. Es sind zahlreiche Reihenleitungs-Trennwiderstände 201 —204 vorgesehen, von denen jeweils das eine Ende mit einem entsprechenden der Reihenleiterleitungen Xf-X₄ verbunden und von denen jeweils das andere Ende mit einer Reihenleitungs-Vorspannklemme 205 verbunden ist, die in einem System mit dem negativen Pol einer Spannungsquelle 206 von —215 Volt in Verbindung steht. Diese Verbindung ist durch eine gestrichelte Linie angedeutet Der positive Pol der Quelle 206 isi mit Erde bzw. Masse verbunden. In ähnlicher Weise sind zahlreiche Spaltenleitungs-Trennwiderstände 211—214 auf Hpm ^llhctrnt vnrcri>si>hp»n urin Hpnpn i«>tvf>tlc rlac

eine Ende mit einem entsprechenden Ende der Spaltenleiterleitungen Vi-V₄ verbunden und von denen das andere Ende mit einer Spaltenleitungs-Vorspannklemme 215 in einem Systen verbunden ist, die mit dem negativen Pol einer Spannungsklemme 216 verbunden ist. Diese Verbindung ist ebenfalls durch eine gestrichelte Linie angedeutet. Der positive Pol der Quelle 216 ist mit Erde bzw. Masse verbunden. Die Widerstände 201-204 und 211-214 Können durch verschiedene Techniken hergestellt werden. Gemäß einem bekannten Ausführungsbeispiel kann jeder der Widerstände von einem MOSFET-Transistor gebildet werden, der zweckmäßig proportioniert und vorgespannt ist. um den gewünschten Widerstand zu schaffen. Ein Ansteuerung der Reihenleiterleitnngen Xy-Xi, wird durch zahlreiche MOSFETTransistoren 221—224 besorgt, die auf dem Substrat 207 integral ausgebildet sind. Von jedem MOSFET-Transistor ist eine Drain-Elektrode mit einer entsprechenden Reihenleiterleitung A^-I-A₄ und eine Source-Elektrode ist mit einem Spaltenleitungs-Vorspannkontakt 225 verbunden, der im Betrieb eines System mit Erde verbunden ist. Diese Verbindung ist durch eine gestrichelte Linie angegeben. Jede Steuerelektrode der Transistoren 221—224 wird von einem entsprechenden Treibersignal angesteuert, das von dem Reihen-Schieberegister 226 abgeleitet wird. Das Reihen-Schieberegister 226 kann irgendeines von zahlreichen bekannten Schiebere^stern sein. Die Elemente des Schieberegisters 226 können gemeinsam auf dem Substrat /u derjenigen Zeit ausgebildet werden, zu der die Vorrichtungen der Bildabtastanordnung 80 ausgebildet werden.

Das Schieberegister 226 ist mit einer Klemme 227 versehen, der ein Zug von Zeitsteuerimpulsen für die vertikale Abtastung zugeführt wird, die eine Periode aufweisen, die der Summe der Perioden der vier angelegten Zeitsteuerimpulse für die V-Achse entsprechen. Die Impulse für die vertikale Abtastgeschwindigkeit oder für die Α-Achse können vom Ausgang eines Zählers abgenommen werden, wie beispielsweise dem ersten Zähler 123 gemäß Fig. 11. Bildsynchronisierimpulse können von dem Zähler 123 abgenommen werden und werden an den Bildsynchronisierkontakt 229 angelegt. Jeder der Bildsynchronisierimpulse weist eine Dauer auf, die gleich der Summe der Perioden der vier Zeitsteüerirnpülse für die V-Achse ist. Die Bildsynchronisierimpulse werden in dem Schieberegister 286 bei

dem Zeitgang der ,Y-Achse verschoben, um eine sukzessive Ansteuerung der Steuerelektroden der Transistoren 221—224 zu bewirken, die auf entsprechende Waise mit den Leitungen X\ —X₄ verbunden sind, um die Spannung sukzessive von einem Wert von — 15 Volt auf einen Wert von —5 Volt zu verschieben. Die Wellenform für die Treiberspannung auf der Leitung X\ ist in F i g. 19G gezeigt und die Wellenform für die Treiberspannung auf der Leitung Xi ist in Fig. 19H für eine Hälfte eines Betriebszyklus der Anordnung gezeigt. Weiterhin sind auf dem Substrat 207 zahlreiche MOSFET-Transistoren 231—234 für die Spaltenleiterleitungen integral ausgebildet Jeder der Transistoren 231—234 weist eine Drain-Elektrode, die mit einer entsprechenden Spaltenleiterleitung verbunden ist, und eine Source-Elektrode auf, die mit einer Kontaktklemme 235 verbunden ist, der Spaltentreibersignale zugeführt werden. Jede der Steuerelektroden der Transistoren 231—234 ist mit einem entsprechenden Punkt caif dem Spalten-Schieberegister 236 verbunden. Das Spalten-Schieberegister 236 ist mit einer Eingangskontaktklemme 237 versehen, der Zeitsteuerimpulse für die V-Achse zugeführt werden. Diese Impulse werden von einem Zeitimpulsgenerator abgeleitet, wie beispielsweise dem Zeitimpulsgenerator 121 gemäß Fig. 11. Das Spalten-Schieberegister 236 ist weiterhin mit einem Synchronisierungskontakt 238 für die horizontale Leitung versehen, dem ein Eingangsimpuls zugeführt wird. Der Eingangsimpuls wird in dem Spalten-Schieberegister auf die Zeitimpulse für die y-Achse hin ve- "choben. Die Wellenfom 241 für den an den Synchronisierungskontakt 238 angelegten Impuls ist in Fig. 19B gezeigt. Wie hier gezeigt ist, weist der Leitungssynchronisierungsimpuls .»'ne Breite auf, die dem Intervall zwischen einem Paai der Zeitimpulse 228 für die V-Achse entspricht. An den Ausgangsk'emmenpunkten des Spalten-Schieberegisters 236 werden Treibersignale 241 — 244 erhalten, die auf entsprechende Weise in den Fig. 19B—19E gezeigt sind, und auf entsprechende Weise den Transistoren 231—234 zugeführt werden. Die Treibersignale haben für das angegebene Intervall eine Amplitude von — 20Vc't. Gleichzeitig wird der Klemme 235 ein Zug bzw. eine Folge von Spalten-Treiberimpulsen 245 zugeführt, die in Fig. 19F gezeigt sind und die von einem Zeitgeber- und Steuerschaltungsblock abgeleitet werden können, wie beispielsweise dem in Fig. 11 gezeigten Block 135. Jeder der Impulse 245 weist eine kurze Dauer auf. die der Zeit entspricht, während der es erwünscht ist. die durch Strahlung erzeugte Ladung auszugeben, die in einer Vorrichtung in einer entsprechenden Spalte gespeichert ist. Derartige Impulse bewirken eine Injektion gespeicherter Ladung, die über einem integrierenden Kondensator, wie beispielsweise dem Kondensator 150 in F i g. 11. abgetastet werden würde, der zwischen dem Substratkontakt 248 und Erde in dem Abtastsystem geschaltet sein würde. Die Impulse 245 weisen eine Amplitude von 10 Volt zwischen den —15- und —5 Volt-Werten auf. Demzufolge wird während des ZeitinierYalles von fo- ίι die Strahlungsabtastyorrichtung 81 in der obersten Reihe und der Spalte an der linken Seite der Anordnung 80 abgefragt, der die der Leiterleitung Yi entsprechenden Spalte folgt etc.

Die MOSFET-Transistoren in der Baueinheit 20 können in einer ähnlichen Weise ausgebildet werden wie die Vorrichtungen der Anordnung 80. Dies kann auch gleichzeitig damit geschehen. In ähnlicher Weise kann das Spalten-Schieberegister aus MOSFET-Transistoren hergestellt sein, die in einer ähnlichen Weise hergestellt werden wie die Vorrichtungen der Anordnung 80.

Dem Spalten-Schieberegister 236 und dem Reihen-Schieberegister 226 wird Leistung über Speisekontakte 246 bzw. 247 zugeführt Der Koniakt 248 liefert eine Verbindung mit dem Substrat und entspricht dem Kontakt 98 in F i g. 11. Die Wirkungsweise des Systems einschließlich der Baueinheit 20 mit der darin enthaltenen Anordnung 80 ist identisch mit der Wirkungsweise des Systems, das in F i g. 11 gezeigt und in Verbindung damit beschrieben wurde, außer den vorgenannten Abweichungen. Demzufolge wird in Fig. 18 eine selbst-abgetastete Baueinheit geschaffen, in der ein Minimum an Kontakten erforderlich ist, um die Baueinheit in ein System zu schalten, und zwar unabhängig von der Zahl der verwendeten Reihenleiterleitungen und Spaltenleiterleitungen und unabhängig von der Größe der Anordnung.

Auch wenn mit den in Verbindung mit den Fig. 11 und 18 beschriebenen Systemen Abtastsysteme geschaffen worden sind, bei denen die Abtastung der Reihenleiterleitungen und Spaltenleiterleitungen auf einer sequentiellen Basis erfolgt, so ist doch klar, daß das Abtasten der Reihen- und Spaltenleitungen auch auf einer anderen Basis erfolgen kann. Beispielsweise kann dies genauso gut au/ einer zufälligen Basis geschehen.

Weiterhin wurde die Erfindung zwar in Verbindung mit Anordnungen von 16 Vorrichtungen beschrieben, obwohl es möglich ist, daß auch Anordnungen mit viel mehr als 16 Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut werden können. Ferner können die Vorrichtungen in anderen als den gezeigten Anordnungen zusammengesetzt sein.

Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen ist das Halbleiter-Substrat zwar aus Silicium gebildet, obwohl auch andere Halbleitermaterialien verwendet werden könnten, wie beispielsweise Germanium und Verbindungen der Gruppe III — ν, _wi_t lidiumarsenid und Indiumantimonid. Ferner war bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der isolierer.de Teil aus Siliciumdioxyd aufgebaut, obwohl auch andere Isoliermaterialien, wie beispielsweise Siliciumnitrid, Siliciumoxynitrid und Aluminiumoxyd geeignet sein würden. Ferner könnten die leitenden Platten aus irgendeiner Anzahl leitfähiger Materialien aufgebaut sein, seien sie nun metallisch oder nichtmetallisch.

Die Anordnungen gemäß den Ausführungsbeispielen wurden auch dahingehend beschrieben, daß sie aus η-leitendem Halbleitermaterial aufgebaut sind. Trotzdem könnte auch ein Halbleitermaterial mit p-Leitfähigk^it verwendet werden. In einem derartigen Fall würde selbstverständlich die Polarität der angelegten Potentiale umgekehrt und die Stromflüsse würden in entgegengesetzter Richtung auftreten.

Bei einer Frontflächenbeleuchtung der Anordnung sind die leitfähigen Platten vorzugsweise transparent, um für eine hohe Wirksamkeit und Empfindlichkeit zu sorgen. Eine Transparenz in den leitfähigen Platten wird durch Verwendung transparenter Metallschichten oder transparenter Halbleitermaterialien hoher Leitfähigkeit Verhalten, wie beispielsweise stark dotiertes 'Silicium oder andere Materialien, die sowohl leitfähig als auch transparent sind, insbesondere in dünnen Schichten. Bei einer Rückflächenbeleuchtung der Anordnung ist die Dicke des Substrates vorzugsweise herabgesetzt, um die Wirksamkeit Und Empfindlichkeit der Anordnung zu erhöhen.

Schließlich wird auch deutlich, daß die Erfindung zwar in Verbindung mit der Abtastung von Strahlung beschrieben worden ist, daß sie aber in gleicher Weise auch auf die Abtastung energetischer Partikelchen anwendbar ist, wie z. B. auf Elektronen. Bei einer derartigen Applikation würden die energetischen Partikelchen vorzugsweise an der hinteren Oberfläche oder der Frontfläche des Substrates aufgenommen, tL h. der zu derjenigen Fläche entgegengesetzten Fläche, auf der der isolierende Teil und die leitenden Teile angeordnet sind.

Hierzu 9 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche: ίο 15 20 30

1. Strahlungsabtastvorrichtung mit einem Substrat aus Halbleitermaterial eines Leitfähigkeitstyps mit folgenden Merkmalen:

— ein Leiterteil (14) ist Ober einem Teil eines Bereichs (20, 21) des Substrats (11) und durch eine Isolierschicht (12) isoliert davon angeordnet und

— eine Spannungsquelle (15, 16, 17) legt zwischen dem Leiterteil (14) und dem Substrat (11) eine Spannung an, die den Substratbereich (20, 21) an Majoritätsladungsträgern verarmt, wobei bei einer Bestrahlung (22) des Substrats (11) in dem Substratbereich (20,21) erzeugte Minoritätsträger (24) gespeichert werden,

— ein Schalter (19) dient zum Auslesen der gespeicherten Ladungen,

dadurch gekennzeichnet, daß

— eine Kapazität (18) in einen Stromkreis mit dem Substrat (11) und den Leiterteil (14) geschaltet ist und daß

— dieser Kapazität (18) dir Schalter (19) so parallel geschaltet ist, daß im Schließzustand des Schalters (19) in dem Substratbereich (20, 21) gespeicherte Ladung in das Substrat (11) injiziert wird und im Öffnungszustand des Schalters (19) ein Verschiebungsstrom in den Kondensator (18).'ließt, d jsen Spannung den in dem Verarmurigsbe-eich gespeicherten Minoritätsträgern proportional isi

2. Strahlungsabtast vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

— einen zweiten Leiterteil (55), der über .einem zweiten Abschnitt (58) des Substratbereiches (20, 21) liegt und mit dem ersten Abschnitt (57) verbunden ist.

— eine zweite Spannungsquelle (V_y) zum Anlegen einer zweiten Spannung zwischen den zweiten Leiterteil (55) und das Substrat (11), die den 4> zweiten Abschnitt (58) an Majoritätsträgern verarmt.

— eine Spannungsquelle zum Vermindern der ersten Spannung (V,) zwischen dem ersten Leiterteil (54) und dem Substrat (51). damit M durch Strahlung erzeugte Ladung, die in dem ersten Abschnitt (57) gespeichert ist. in den zweiten Abschnitt (58) fließt (s. F i g. 2B). und

— eine Spannungsquelle zum Vermindern der zweiten Spannung (V_t). damit durch Strahlung 5ϊ erzeugte Ladung, die in dem zweiten Abschnitt (58) gespeichert ist. in das Substrat (51) injiziert wird (s. F ι g. 2C).

— wobei die Kapazität (18) im Stromkreis mit dem Substrat (Sl) und dem zweiten Leiteneil (55) tso liegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung nach einer zweiten Zeitperiode wieder auf die Ausgangsspannung erhöht ist, so daß in dem Stromkreis mit dem Substrat (11) und der Kapazität (18) ein Stromfluß erzeugbar ist, der die Verarmung in dem Substratbereich wieder herstellt und eine resultierende Spannungsänderung erzeugt, die im wesentlichen proportional ist zu den während der ersten Zeitperiode im Bereich gespeicherten MinoritätsträgeiTi.

4. Vorrichtung nach Anspruch J, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Zeitperiode kurz ist im Verhältnis zur ersten Zeitperiode.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Zeitperiode genügend lang ist, damit Ladungsträger, die in das Substrat während der Spannungsänderung des Leiterteiles injiziert sind, aus dem Abschnitt des Substrates verschwunden sind, der den Bereich umgibt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet daß die erste Zeitperiode in bezug auf die abgetastete Strahlung genügend kurz ist, damit die durch die Strahlung erzeugten Minoritätsträger nicht ausreichen, den Bereich auf seine maximale Ladungsspcichcrkapazitat aufzula den.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (19) für eine dritte Zeitperiode die Spannung zusammenbrechen läßt und für eine vierte Zeitperiode eine Spannung aufbaut, wobei die vierte Zeitpenode die zweite Zeitperiode umfaßt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (19) wiederholt betätigbar ist zum Aufbau und Abbau der Spannung und daß in dem Schalter (19) eine Einrichtung enthalten ist zum periodischen Abtasten der Spannung über der Kapazität (18) während der vierten Zeitperiode und zur Lieferung einer elektrischen zeitveränderlichen Ausgangsgröße gemäß der Änderung der Amplitude der Abtastv»erte.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Ji; Kapazität (18) zahlreiche Zellen umfaßt, die jeweils einen Teil des Substrates aus Halbleitermaterial des einen Leitfähigkeitstyps, einen Teil des Isolierteiles und einen entsprechenden Leiterteil aufweisen, der über der Oberfläche des Isolierteiles liegt, wobei die Leiterteile der zahlreichen Zellen in einen Kreis mit der ersten Klemme geschaltet sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9. dadurch gekennzeichnet, daß der Leiterteil (14) auf einem ersten Potential, der mit dem Substrat (11) verbundene Kondensatoranschluß (16) im Öffnungszustand des Schalters (19) auf einem zweiten Potential und der andere Kondensatoranschluß (17) auf einem dritten Potential liegt, wobei das dritte Potential zwischen dem ersten und zweiten Potential liegt.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis

10. dadurch gekennzeichnet, daß die absolute Größe des dritten Potentials um wenigstens die absolute Große der Schwellwertspannung größer ist als die absolute Größe des zweiten Potentials,

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis

11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität des Leiterteils in Relation zum Substrat groß ist im Vergleich zur Kapazität des Bereiches, aus dem Majoritäts.träger unmittelbar nach Anlegen des ersten Potentials verarmt werden.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte Potential über dem

Schwellwertpotentiai liegt

14. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die absolute Größe des vierten Potentials an dem zweiten Leiterteil (55) größer ist als das erste Potential am ersten Leiterteil (54).

15. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß das zweite Potential ein Null-Bezugspotential ist

16. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Potential in der Amplitude äquidistant ist zwischen den vierten und dritten Potentialen und die Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Unterbrechungen der zweiten und dritten Klemmen durch den Schalter (19) kurz genug ist in bezug auf die abgetastete Strahlung, daß die durch die Strahlung erzeugten Mincritätsträger nicht ausreichend sind, um mehr als eine Hälfte der Speicherkapazität des zweiten Verarmungsbereiches zu füllen.

17. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß die ersten und vierten Potentiale gleich sind.

18. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarmungsbereiche durch einen Bereich mit entgegengesetztem Leiifähigkeitstyp in dem der Oberfläche benachbarten Abschnitt des Substrates miteinander gekoppelt sind.

19. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß die Verarmungsbereiche durch Überlappung eines Abschnittes von einem der Leiterteile mit dem anderen der Leiterteile miteinander gekoppelt sind.

20. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterteile dünn sind und eine geradlinige Umrißlinie aufweisen.

21. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß die Umrisse der Leiterteile kongruent sind.

22. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Umrisse der Leiterteile rechtwinklig sind.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte Ränder der Leiterteile eng beabstandet und im wesentlichen parallel nnd. wobei die Ränder derart beabstandet sind, daß die Verarmungsbereiche in bezug zueinander gekoppelt sind.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis

23, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterteile transparent sind.

25. Vcrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis

24. dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterteile metallisch sind.

26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial Silizium ist. das Isoliermaterial Siliziumoxid ist und die Leiterteile polykristallines Silizium sind.

27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 26. dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung über der Kapazität (18) periodisch abgetastet und eine Stufenwelle erzeugt wird, bei der die Höhe der Stufen der Höhe der Abtastwerte entspricht.

28. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen in dem Substrat eng beabstandet sind.

29. Vorrichtung nacS einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität von

jedem der Leiterteile in Relation zum Substrat groß ist im Vergleich zur Kapazität eines entsprechenden Verarnringsbereiches, der darin unmittelbar nach Anlegen eines entsprechenden Betriebspotentials erzeugbar ist

30. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Bestrahlung des Substrates (11) in den Verarmungsabschnitten (57, 58) erzeugten Minoritätsträger Inversionsschichten ausbilden, die durch einen Leitfähigkeitsbereich (56) miteinander verbunden sind.